伊丽莎白·罗森塔尔，橡树岭国家实验室 使用D-Wave芯片(前景)，该团队模拟了样本材料(背景)的实验特征，产生了与现实世界实验输出直接可比的结果
信用:保罗凯里斯/UT诺克斯维尔 一个多机构团队成为第一个在量子计算机上从材料科学模拟中产生精确结果的人，这些结果可以用中子散射实验和其他实用技术来验证
能源部橡树岭国家实验室的研究人员；诺克斯维尔田纳西大学；普渡大学和D-Wave系统公司通过将现有模型嵌入量子计算机，利用量子退火的力量，量子计算的一种形式
表征材料长期以来一直是经典超级计算机的标志，它使用二进制位系统对信息进行编码，每个位都被赋予0或1的值
但是量子计算机——在这种情况下是D-Wave的2000 Q——依赖于量子比特，由于被称为叠加的量子力学能力，量子比特的值可以同时为0、1或两者
“在量子计算机上解决材料科学问题背后的潜在方法已经被开发出来了，但这一切都是理论上的，”德克萨斯大学诺克斯维尔分校布莱德森跨学科研究和研究生教育中心的学生保罗·凯利斯说，他领导了ORNL对该项目的贡献
“我们开发了新的解决方案，能够在真实世界的量子设备上进行材料模拟
" 这种独特的方法证明了量子资源能够研究这些材料的磁性结构和性质，这将有助于更好地理解自旋液体、自旋冰和其他对数据存储和自旋电子学应用有用的新的物质相
研究人员在《PRX量子》杂志上发表了他们的模拟结果——与理论预测相符，与实验数据非常相似
最终，量子计算机的能力和稳健性可以使这些系统在准确性和复杂性方面胜过它们的经典对手，为材料科学问题提供精确的答案，而不是近似值
然而，量子硬件的限制使得这些研究很难或不可能完成
为了克服这些限制，研究人员将各种参数编入了沙斯特-萨瑟兰伊辛模型
因为它与稀土四硼酸盐(一种磁性材料)有惊人的相似之处，所以使用该模型的后续模拟可以为这些有形物质的行为提供实质性的见解
研究人员将一个可编程模型嵌入到三维波量子计算机芯片中
信用:D-波 “我们感到鼓舞的是，新的量子退火平台可以直接帮助我们理解具有复杂磁性相的材料，甚至那些具有多重缺陷的材料，”合著者、普渡大学助理教授阿纳·班纳吉说
“这种能力将有助于我们理解来自各种中子散射、磁化率和热容实验的真实材料数据，否则这些实验将非常困难
" 磁性材料可以用称为自旋的磁性粒子来描述
基于相邻自旋的行为，每个自旋都有一个优选的取向，但是稀土四硼化合物受到阻碍，这意味着这些取向彼此不相容
结果，自旋被迫在集体配置上妥协，导致奇异的行为，例如部分磁化平稳
这种奇特的行为发生在外加磁场通常导致所有自旋指向一个方向时，通常只影响一些自旋，而其他自旋指向相反的方向
利用由伊辛模型量子演化提供动力的蒙特卡罗模拟技术，研究小组对这一现象进行了微观细节评估
“我们想出了新的方法来表示材料的边界或边缘，以欺骗量子计算机认为材料实际上是无限的，这对于正确回答材料科学问题至关重要，”合著者特拉维斯·亨伯说
亨布尔是ORNL的一名研究人员，也是量子科学中心的副主任。QSC是美国能源部于2020年在ORNL成立的量子信息科学研究中心
参与这项研究的个人和机构是QSC成员
量子资源以前模拟小分子来检查化学或材料系统
然而，由于D-Wave量子器件的尺寸和多功能性，研究包含数千个原子的磁性材料是可能的
“D波处理器现在被用来模拟实际感兴趣的磁系统，类似于真实的化合物
这是一件大事，它将我们从记事本带到了实验室，”安德鲁·金说，他是D-Wave的性能研究主管
“最终目标是研究对于经典计算来说难以处理的、超出已知实验方法范围的现象
" 研究人员预计，他们新颖的模拟将成为简化下一代量子计算机未来工作的基础
与此同时，他们计划在QSC进行相关研究，从测试不同的模型和材料到进行实验测量以验证结果
“我们在当时最大的量子计算机上完成了这个模型可能的最大规模的模拟，结果证明了将这些技术用于未来材料科学研究的重大前景，”凯利斯说
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