阿貢科學(xué)家使用量子計(jì)算機(jī)模擬量子材料

北京時(shí)間5月27日消息（余予）量子計(jì)算機(jī)有望通過(guò)實(shí)現(xiàn)曾經(jīng)被認(rèn)為不可能的計(jì)算來(lái)徹底改變科學(xué)。但要讓量子計(jì)算機(jī)成為日?，F(xiàn)實(shí)，還有很長(zhǎng)的路要走，要通過(guò)許多具有挑戰(zhàn)性的測(cè)試。

其中一項(xiàng)測(cè)試涉及使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)模擬下一代量子技術(shù)的材料特性。

在美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的一項(xiàng)新研究中，研究人員對(duì)自旋缺陷進(jìn)行了量子模擬，自旋缺陷是材料中的特定雜質(zhì)。該研究通過(guò)校正量子硬件引入的噪聲，提高了量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

“我們想學(xué)習(xí)如何使用新興的計(jì)算技術(shù)。在量子計(jì)算的早期制定穩(wěn)健的策略是了解如何在未來(lái)有效使用這些機(jī)器的重要的第一步”阿貢和芝加哥大學(xué)的Giulia Galli表示。

該研究是作為總部位于阿貢的美國(guó)能源部計(jì)算材料科學(xué)項(xiàng)目中西部計(jì)算材料綜合中心 (MICCoM) 以及美國(guó)能源部國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心Q-NEXT的一部分進(jìn)行的。

“我們進(jìn)行此類(lèi)模擬的原因是為了對(duì)材料特性有一個(gè)基本的了解，同時(shí)也告訴實(shí)驗(yàn)者如何最終更好地為新技術(shù)設(shè)計(jì)材料。”芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院和化學(xué)系教授、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家、Q-NEXT合作者和MICCoM主任Giulia Galli表示，“量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常相當(dāng)復(fù)雜，可能難以解釋。進(jìn)行模擬對(duì)于幫助解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果并提出新的預(yù)測(cè)非常重要。”

雖然量子模擬已經(jīng)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間，但量子計(jì)算機(jī)可能能夠解決即使是當(dāng)今最強(qiáng)大的經(jīng)典計(jì)算機(jī)也無(wú)法解決的問(wèn)題。隨著圍繞這項(xiàng)工作的研究人員在構(gòu)建和使用量子計(jì)算機(jī)方面的持續(xù)努力，能否實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有待觀察。

“我們想學(xué)習(xí)如何使用新興的新計(jì)算技術(shù)，”該論文的第一作者Galli表示。“在量子計(jì)算的早期制定穩(wěn)健的策略是了解如何在未來(lái)有效使用這些機(jī)器的重要第一步。”

研究自旋缺陷提供了一個(gè)真實(shí)世界的系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)的能力。

“如今，絕大多數(shù)使用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行的計(jì)算都是在模型系統(tǒng)上進(jìn)行的，”Galli指出，“這些模型在理論上很有趣，但是模擬具有實(shí)驗(yàn)興趣的實(shí)際材料對(duì)整個(gè)科學(xué)界來(lái)說(shuō)更有價(jià)值。”

在量子計(jì)算機(jī)上對(duì)材料和分子的特性進(jìn)行計(jì)算面臨著一個(gè)經(jīng)典計(jì)算機(jī)沒(méi)有遇到的問(wèn)題，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為硬件噪聲。每次執(zhí)行計(jì)算時(shí)，嘈雜的計(jì)算返回的答案都會(huì)略有不同；每次對(duì)于“2+2是多少？”這個(gè)問(wèn)題，嘈雜的加法運(yùn)算每次返回的值可能與4略有不同。

“測(cè)量的不確定性取決于量子硬件，”該研究的共同主要作者、阿貢科學(xué)家Marco Govoni表示，“我們工作的一個(gè)成就是我們能夠糾正我們的模擬以補(bǔ)償我們?cè)谟布嫌龅降脑胍簟?rdquo;

該研究的第一作者、芝加哥大學(xué)研究生Benchen Huang說(shuō)，了解如何處理量子計(jì)算機(jī)中的噪聲以進(jìn)行逼真的模擬是一個(gè)重要的結(jié)果。

“我們可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)我們可能會(huì)擁有無(wú)噪聲的量子計(jì)算——學(xué)習(xí)如何在模擬中消除或消除噪聲，也將告訴我們量子優(yōu)勢(shì)是否可能成為現(xiàn)實(shí)，以及材料科學(xué)中的哪些問(wèn)題。”

最后，根據(jù)Galli的說(shuō)法，量子計(jì)算機(jī)的突破性潛力將激發(fā)更多沿著這些方向開(kāi)展的工作。

“我們才剛剛開(kāi)始，”她表示，“前方的道路看起來(lái)充滿(mǎn)了激動(dòng)人心的挑戰(zhàn)。”

基于該研究的論文《在量子計(jì)算機(jī)上模擬自旋缺陷的電子結(jié)構(gòu)（Simulating the Electronic Structure of Spin Defects on Quantum Computers）》于3月10日在《物理評(píng)論X》在線發(fā)表。

·Q-NEXT是由阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)能源部國(guó)家量子信息科學(xué)研究中心。Q-NEXT匯集了來(lái)自國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)和美國(guó)科技公司的世界級(jí)研究人員，其單一目標(biāo)是開(kāi)發(fā)控制和分發(fā)量子信息的科學(xué)技術(shù)。Q-NEXT合作者和機(jī)構(gòu)將創(chuàng)建兩個(gè)國(guó)家級(jí)量子材料和設(shè)備代工廠，開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)和安全通信系統(tǒng)，建立模擬和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)，并培訓(xùn)下一代量子就緒勞動(dòng)力，以確保美國(guó)在這個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域繼續(xù)保持科學(xué)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先地位。

·阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室尋求解決緊迫的國(guó)家科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。作為美國(guó)第一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室?guī)缀踉谒锌茖W(xué)學(xué)科中開(kāi)展前沿的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。阿貢的研究人員與來(lái)自數(shù)百家公司、大學(xué)以及聯(lián)邦、州和市政機(jī)構(gòu)的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問(wèn)題，提升美國(guó)的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力，并為國(guó)家更美好的未來(lái)做好準(zhǔn)備。Argonne擁有來(lái)自60多個(gè)國(guó)家的員工，由UChicago Argonne, LLC為美國(guó)能源部科學(xué)辦公室管理。

·美國(guó)能源部科學(xué)辦公室是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，致力于解決我們這個(gè)時(shí)代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。

生成海報(bào)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來(lái)自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準(zhǔn)確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準(zhǔn)確性及可靠性，讀者在使用前請(qǐng)進(jìn)一步核實(shí)，并對(duì)任何自主決定的行為負(fù)責(zé)。本網(wǎng)站對(duì)有關(guān)資料所引致的錯(cuò)誤、不確或遺漏，概不負(fù)任何法律責(zé)任。任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁(yè)或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識(shí)產(chǎn)權(quán)或存在不實(shí)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)及時(shí)向本網(wǎng)站提出書(shū)面權(quán)利通知或不實(shí)情況說(shuō)明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細(xì)侵權(quán)或不實(shí)情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會(huì)依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實(shí)，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開(kāi)相關(guān)鏈接。