阿貢科學家使用量子計算機模擬量子材料

北京時間5月27日消息（余予）量子計算機有望通過實現(xiàn)曾經(jīng)被認為不可能的計算來徹底改變科學。但要讓量子計算機成為日常現(xiàn)實，還有很長的路要走，要通過許多具有挑戰(zhàn)性的測試。

其中一項測試涉及使用量子計算機來模擬下一代量子技術(shù)的材料特性。

在美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室和芝加哥大學的一項新研究中，研究人員對自旋缺陷進行了量子模擬，自旋缺陷是材料中的特定雜質(zhì)。該研究通過校正量子硬件引入的噪聲，提高了量子計算機計算的準確性。

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

該研究是作為總部位于阿貢的美國能源部計算材料科學項目中西部計算材料綜合中心 (MICCoM) 以及美國能源部國家量子信息科學研究中心Q-NEXT的一部分進行的。

“我們進行此類模擬的原因是為了對材料特性有一個基本的了解，同時也告訴實驗者如何最終更好地為新技術(shù)設(shè)計材料。”芝加哥大學普利茲克分子工程學院和化學系教授、阿貢國家實驗室高級科學家、Q-NEXT合作者和MICCoM主任Giulia Galli表示，“量子系統(tǒng)的實驗結(jié)果通常相當復雜，可能難以解釋。進行模擬對于幫助解釋實驗結(jié)果并提出新的預測非常重要。”

雖然量子模擬已經(jīng)在經(jīng)典計算機上進行了很長時間，但量子計算機可能能夠解決即使是當今最強大的經(jīng)典計算機也無法解決的問題。隨著圍繞這項工作的研究人員在構(gòu)建和使用量子計算機方面的持續(xù)努力，能否實現(xiàn)這一目標還有待觀察。

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

研究自旋缺陷提供了一個真實世界的系統(tǒng)來驗證量子計算機的能力。

“如今，絕大多數(shù)使用量子計算機進行的計算都是在模型系統(tǒng)上進行的，”Galli指出，“這些模型在理論上很有趣，但是模擬具有實驗興趣的實際材料對整個科學界來說更有價值。”

在量子計算機上對材料和分子的特性進行計算面臨著一個經(jīng)典計算機沒有遇到的問題，這種現(xiàn)象被稱為硬件噪聲。每次執(zhí)行計算時，嘈雜的計算返回的答案都會略有不同；每次對于“2+2是多少？”這個問題，嘈雜的加法運算每次返回的值可能與4略有不同。

“測量的不確定性取決于量子硬件，”該研究的共同主要作者、阿貢科學家Marco Govoni表示，“我們工作的一個成就是我們能夠糾正我們的模擬以補償我們在硬件上遇到的噪音。”

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

“我們可以預見，未來我們可能會擁有無噪聲的量子計算——學習如何在模擬中消除或消除噪聲，也將告訴我們量子優(yōu)勢是否可能成為現(xiàn)實，以及材料科學中的哪些問題。”

最后，根據(jù)Galli的說法，量子計算機的突破性潛力將激發(fā)更多沿著這些方向開展的工作。

“我們才剛剛開始，”她表示，“前方的道路看起來充滿了激動人心的挑戰(zhàn)。”

基于該研究的論文《在量子計算機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《物理評論X》在線發(fā)表。

·Q-NEXT是由阿貢國家實驗室領(lǐng)導的美國能源部國家量子信息科學研究中心。Q-NEXT匯集了來自國家實驗室、大學和美國科技公司的世界級研究人員，其單一目標是開發(fā)控制和分發(fā)量子信息的科學技術(shù)。Q-NEXT合作者和機構(gòu)將創(chuàng)建兩個國家級量子材料和設(shè)備代工廠，開發(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)測試平臺，并培訓下一代量子就緒勞動力，以確保美國在這個快速發(fā)展的領(lǐng)域繼續(xù)保持科學和經(jīng)濟領(lǐng)先地位。

·阿貢國家實驗室尋求解決緊迫的國家科學技術(shù)問題。作為美國第一個國家實驗室，阿貢國家實驗室?guī)缀踉谒锌茖W學科中開展前沿的基礎(chǔ)和應用科學研究。阿貢的研究人員與來自數(shù)百家公司、大學以及聯(lián)邦、州和市政機構(gòu)的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學領(lǐng)導力，并為國家更美好的未來做好準備。Argonne擁有來自60多個國家的員工，由UChicago Argonne, LLC為美國能源部科學辦公室管理。

·美國能源部科學辦公室是美國物理科學基礎(chǔ)研究的最大支持者，致力于解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰(zhàn)。

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