作者:约瑟夫
阿尔贡国家实验室哈蒙 碳化硅晶体原子结构的艺术表现，显示缺陷(紫色圆圈)和用量子力学理论确定的感兴趣区域(银球)
学分:芝加哥大学 量子计算机在使用新算法进行计算方面有着巨大的潜力，涉及的数据量远远超过了当今超级计算机的容量
虽然这种计算机已经建成，但它们仍处于起步阶段，在解决材料科学和化学中的复杂问题时适用性有限
例如，它们只允许在材料研究中模拟几个原子的性质
美国科学家
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能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学开发了一种方法，为使用量子计算机模拟现实分子和复杂材料铺平了道路，这些材料的描述需要数百个原子
该研究小组由朱利亚·加利领导，他是中西部计算材料综合中心(MICCoM)的主任，是阿尔贡的材料科学部门的组长，也是阿尔贡分子工程中心的成员
加利还是普利兹克分子工程学院电子结构和模拟的刘氏家族教授，也是加州大学化学教授
她与助理科学家马尔科·戈沃尼和研究生何马一起参与了这个项目，他们都是阿尔贡的材料科学部门和UChicago的成员
“我们新开发的计算方法，”加利说，“大大提高了现有量子力学方法计算晶体材料中特定缺陷的精确度，我们已经在量子计算机上实现了它。”
" 在过去的三十年里，量子力学理论方法在预测与量子信息科学和能源应用功能材料(包括催化剂和储能系统)相关的材料性质方面发挥了重要作用
然而，这些方法对计算要求很高，并且将它们应用于复杂的异质材料仍然是一个挑战
“在我们的研究中，我们发展了一种量子嵌入理论，通过耦合量子和经典计算硬件，允许模拟固体中的‘自旋缺陷’。”戈沃尼说
固体中的这些类型的缺陷对于开发用于量子信息处理和纳米级传感应用的材料的适用性远远超出了目前的能力
“我们的策略在计算材料科学中是一个强有力的前瞻性策略，比目前最先进的方法更精确地预测复杂材料的特性，”戈沃尼补充道
该团队首先在一台经典计算机上测试了量子嵌入方法，并将其应用于计算金刚石和碳化硅中自旋缺陷的性质
“过去的研究人员已经广泛研究了金刚石和碳化硅中的缺陷，所以我们有大量的实验数据来与我们的方法预测进行比较，”马说
理论和实验之间的良好一致性使团队对他们的方法的可靠性充满信心
该团队随后继续在量子模拟器上测试相同的计算，最后在IBM Q5约克城量子计算机上进行测试
结果证实了他们的量子嵌入方法的高精度和有效性，为在量子计算机上解决许多不同种类的材料科学问题奠定了基础
加利指出，“随着量子计算机的不可避免的成熟，我们期望我们的方法将适用于分子和材料中感兴趣区域的模拟，以理解和发现催化剂和新药，以及含有复杂溶解物质的水溶液
" Galli的团队是MICCoM的一部分，总部在阿尔贡；总部设在芝加哥的芝加哥量子交易所；以及由美国空军科学研究办公室资助的奇斯平项目
他们的研究利用了在MICCoM内部开发的WEST软件，并利用了除了可公开获得的IBM quant um计算机之外的几种计算资源:Argonne领导计算设施和国家能源研究科学计算中心，两者都是能源部科学用户设施办公室；和芝加哥大学研究计算中心
该团队的工作发表在2020年7月出版的《npj计算材料》杂志上的一篇题为“近期量子计算机上材料的量子模拟”的文章中
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