Ein Team von Wissenschaftlern des Ames National Laboratory des US-Energieministeriums demonstrierte einen Weg, die Rolle der Quantencomputer in der Materialforschung mit einem adaptiven Algorithmus zur Simulation von Materialien voranzutreiben. Quantencomputer haben potenzielle Fähigkeiten, die weit über die heutigen Computer hinausgehen, und die Verwendung eines adaptiven Algorithmus ermöglicht es ihnen, Lösungen schnell und genau zu produzieren.
Quantencomputer haben eine völlig andere Art zu rechnen als die Computer, die wir heute verwenden. Sie bestehen aus Quantenbits oder Qubits, die viel mehr Informationen kodieren können als die Bits in heutigen Computern. Diese einzigartigen Fähigkeiten ermöglichen es Quantencomputern, Berechnungen durchzuführen, die über das hinausgehen, was derzeit mit klassischen Computern möglich ist.
Ein Team von Wissenschaftlern des Ames Lab arbeitet daran, die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern zu nutzen, um die Materialforschung einfacher und effizienter zu gestalten. Ein primärer Forschungsschwerpunkt bei Ames Lab sind Seltenerdmaterialien. Diese Materialien werden in einer Vielzahl von Technologien verwendet, darunter Smartphones, Computerfestplatten, Leuchtdioden (LEDs), elektronische Displays und Permanentmagnete für alternative Energietechnologien wie Windturbinen.
Die Abhängigkeit von Seltenerdmaterialien ist eine Herausforderung, da sie teuer und in ihrer geografischen Verbreitung begrenzt sind. Wissenschaftler des Ames Lab arbeiten daran, alternative Materialien zu finden, die seltene Erden ersetzen können, aber kostengünstiger und besser verfügbar sind. Um diese Aufgabe zu erfüllen, benötigen Wissenschaftler ein besseres Verständnis der Seltenen Erden und ihres Verhaltens in verschiedenen Materialien und Anwendungen. Die Verwendung von Quantencomputern zur Unterstützung dieser Forschung kann den Prozess potenziell effizienter machen und es Wissenschaftlern ermöglichen, schneller Fortschritte zu erzielen.
Yongxin Yao, ein Wissenschaftler am Ames Lab, erklärte, dass es derzeit aufgrund ihrer komplexen elektronischen Struktur schwierig sei, Seltenerdmaterialien auf einem Computer genau zu simulieren. Der von seinem Team entwickelte Ansatz basiert auf Verunreinigungsmodellen, die magnetische Verunreinigungen in Materialien beschreiben. Darüber hinaus berücksichtigen diese Modelle, wie die Verunreinigung mit dem Rest des Materials interagiert, und helfen, die elektronischen Eigenschaften zu erfassen. Ihr Ansatz verwendet auch Quanteneinbettungsmethoden, um die Massenmaterialien zu simulieren.
In diesem Fall bezieht sich Quanteneinbettung auf eine niederdimensionale Darstellung des Materials. Die Wissenschaftler wählten einen systematischen Weg, um die Darstellung des Schüttguts zu vereinfachen, um diese Simulationen zu ermöglichen. Durch die Verwendung von Quanteneinbettung werden Rechenressourcen reduziert, während die Genauigkeit erhalten bleibt.
„Um den Fehler in unseren Berechnungen zu reduzieren, brauchen wir kompakte Quantenschaltkreise“, erklärte Yao. „Eine Vielzahl von Pfaden, insbesondere Quantenschaltkreise, die aus einer Reihe von Hardwareoperationen bestehen, können das System von einem Anfangspunkt zu dem Endpunkt bewegen, den Sie erreichen möchten. Aufgrund des mit jeder Operation verbundenen Fehlers möchten Sie den kürzesten Weg.“
Der von Yaos Team verwendete Algorithmus soll automatisch die kürzesten Wege finden, um den Zielzustand zu erreichen. Er sagte, diese Arbeit sei ein wichtiger Schritt, um die gesamten Systeme realer Materialien simulieren zu können. Wenn diese Technologie vollständig entwickelt ist, kann sie Materialforschern dabei helfen, neue Materialien für bestimmte Zwecke effizienter zu entdecken und zu entwerfen.
„Wir haben einen adaptiven Weg entwickelt, um kompakte Quantenschaltkreise entweder für statische oder dynamische Simulationen zu konstruieren. Diese Arbeit ist eine erste umfassende Anwendung der adaptiven Methode für Verunreinigungsmodelle, die von realen Materialien abgeleitet wurden“, sagte Yao. „Das ist also ein wichtiger Schritt in Richtung echter Materialsimulationen auf Quantencomputern.“
Diese Forschung wird in dem Artikel „Vergleichende Untersuchung adaptiver Variations-Quanten-Eigenlöser für Multi-Orbital-Verunreinigungsmodelle“ weiter erörtert. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kommunikationsphysik.
Mehr Informationen:
Anirban Mukherjee et al, Vergleichende Studie adaptiver Variations-Quanten-Eigenlöser für Multi-Orbital-Verunreinigungsmodelle, Kommunikationsphysik (2023). DOI: 10.1038/s42005-022-01089-6