阿贡科学家使用量子计算机模拟量子材料

北京时间5月27日消息（余予）量子计算机有望通过实现曾经被认为不可能的计算来彻底改变科学。但要让量子计算机成为日常现实，还有很长的路要走，要通过许多具有挑战性的测试。

其中一项测试涉及使用量子计算机来模拟下一代量子技术的材料特性。

在美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室和芝加哥大学的一项新研究中，研究人员对自旋缺陷进行了量子模拟，自旋缺陷是材料中的特定杂质。该研究通过校正量子硬件引入的噪声，提高了量子计算机计算的准确性。

“我们想学习如何使用新兴的计算技术。在量子计算的早期制定稳健的策略是了解如何在未来有效使用这些机器的重要的第一步”阿贡和芝加哥大学的Giulia Galli表示。

该研究是作为总部位于阿贡的美国能源部计算材料科学项目中西部计算材料综合中心 (MICCoM) 以及美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的一部分进行的。

“我们进行此类模拟的原因是为了对材料特性有一个基本的了解，同时也告诉实验者如何最终更好地为新技术设计材料。”芝加哥大学普利兹克分子工程学院和化学系教授、阿贡国家实验室高级科学家、Q-NEXT合作者和MICCoM主任Giulia Galli表示，“量子系统的实验结果通常相当复杂，可能难以解释。进行模拟对于帮助解释实验结果并提出新的预测非常重要。”

虽然量子模拟已经在经典计算机上进行了很长时间，但量子计算机可能能够解决即使是当今最强大的经典计算机也无法解决的问题。随着围绕这项工作的研究人员在构建和使用量子计算机方面的持续努力，能否实现这一目标还有待观察。

“我们想学习如何使用新兴的新计算技术，”该论文的第一作者Galli表示。“在量子计算的早期制定稳健的策略是了解如何在未来有效使用这些机器的重要第一步。”

研究自旋缺陷提供了一个真实世界的系统来验证量子计算机的能力。

“如今，绝大多数使用量子计算机进行的计算都是在模型系统上进行的，”Galli指出，“这些模型在理论上很有趣，但是模拟具有实验兴趣的实际材料对整个科学界来说更有价值。”

在量子计算机上对材料和分子的特性进行计算面临着一个经典计算机没有遇到的问题，这种现象被称为硬件噪声。每次执行计算时，嘈杂的计算返回的答案都会略有不同；每次对于“2+2是多少？”这个问题，嘈杂的加法运算每次返回的值可能与4略有不同。

“测量的不确定性取决于量子硬件，”该研究的共同主要作者、阿贡科学家Marco Govoni表示，“我们工作的一个成就是我们能够纠正我们的模拟以补偿我们在硬件上遇到的噪音。”

该研究的第一作者、芝加哥大学研究生Benchen Huang说，了解如何处理量子计算机中的噪声以进行逼真的模拟是一个重要的结果。

“我们可以预见，未来我们可能会拥有无噪声的量子计算——学习如何在模拟中消除或消除噪声，也将告诉我们量子优势是否可能成为现实，以及材料科学中的哪些问题。”

最后，根据Galli的说法，量子计算机的突破性潜力将激发更多沿着这些方向开展的工作。

“我们才刚刚开始，”她表示，“前方的道路看起来充满了激动人心的挑战。”

基于该研究的论文《在量子计算机上模拟自旋缺陷的电子结构（Simulating the Electronic Structure of Spin Defects on Quantum Computers）》于3月10日在《物理评论X》在线发表。

·Q-NEXT是由阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心。Q-NEXT汇集了来自国家实验室、大学和美国科技公司的世界级研究人员，其单一目标是开发控制和分发量子信息的科学技术。Q-NEXT合作者和机构将创建两个国家级量子材料和设备代工厂，开发传感器网络和安全通信系统，建立模拟和网络测试平台，并培训下一代量子就绪劳动力，以确保美国在这个快速发展的领域继续保持科学和经济领先地位。

·阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题。作为美国第一个国家实验室，阿贡国家实验室几乎在所有科学学科中开展前沿的基础和应用科学研究。阿贡的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作，帮助他们解决具体问题，提升美国的科学领导力，并为国家更美好的未来做好准备。Argonne拥有来自60多个国家的员工，由UChicago Argonne, LLC为美国能源部科学办公室管理。

·美国能源部科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。

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