量子计算机材料,《自然·计算材料》：用量子计算机解决材料问题

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量子计算机材料,《自然·计算材料》：用量子计算机解决材料问题

量子计算机具有使用新颖算法进行计算的巨大潜力，并且涉及的数据量远远超出了当今超级计算机的能力。虽然已经建造了这种计算机，但是它们仍处于起步阶段，并且在解决材料科学和化学领域的复杂问题方面具有有限的适用性。例如，它们仅允许模拟几个原子的性质以用于材料研究。

美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和芝加哥大学的科学家们开发了一种方法，为使用量子计算机模拟逼真的分子和复杂材料铺平了道路，可描述数百个原子。该最新研究成果论文，题为：“近期量子计算机上的材料的量子模拟”，发表在2020年7月的《自然·计算材料》杂志上。

论文第一作者与通讯作者为中国硕士生学者马合(He Ma)，他于2015年毕业于清华大学，目前师从论文主导作者、中西部计算材料综合中心(MICCoM)主任、阿贡材料科学部门负责人、芝加哥大学化学教授、朱利亚·加利(Giulia Galli)领导。她与其助理科学家Marco Govoni和马合一起从事了这个项目。

加利说：“我们新开发的计算方法极大地提高了现有的量子力学方法在计算晶体材料中特定缺陷方面所能达到的精度，我们已经在量子计算机上实现了该方法。”如图所示碳化硅晶体原子结构，显示出缺陷(紫色圆)和用量子力学理论(银球)确定的感兴趣区域。

在过去的30年中，量子力学理论方法在预测与量子信息科学相关的材料和用于能源应用的功能材料(包括催化剂和能量存储系统)的性能方面发挥了重要作用。但是，这些方法在计算上要求很高，并且将它们应用于复杂的异构材料仍然具有挑战性。

加利说：“在我们的研究中，我们开发了一种量子嵌入理论(quantum embedding theory)，该理论允许通过耦合量子和经典计算硬件来模拟固体中的'自旋缺陷'。”固体中的这些类型的缺陷适用于远远超出当前能力的量子信息处理和纳米传感应用材料的开发。

研究人员表示：“我们的方法在计算材料科学中是一种强大的前瞻性策略，具有比目前最先进的当前方法更准确地预测复杂材料的特性的潜力。”

马博士说，我们团队首先在经典计算机上测试了量子嵌入方法，并将其应用于金刚石和碳化硅中自旋缺陷性质的计算。 “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，因此我们拥有丰富的实验数据可与我们的方法的预测进行比较，”理论与实验之间的良好一致性使团队对其方法的可靠性充满信心。

然后，团队继续在量子模拟器上测试相同的计算，最后在IBM Q5 Yorktown量子计算机上进行测试。结果证实了其量子嵌入方法的高精度和有效性，为解决量子计算机上许多不同种类的材料科学问题奠定了基础。

加里指出：“随着量子计算机不可避免的成熟，我们希望我们的方法将适用于分子和材料中感兴趣区域的模拟，以了解和发现催化剂和新药以及含有复杂溶解物的水溶液种类。”

他们的研究利用了内部开发的软件，并使用了除公共可用的IBM量子计算机以外的多种计算资源：美国能源部阿贡国家能源研究科学计算中心计算设施，和芝加哥大学研究计算中心计算设施。

参考：He Ma et al, Quantum simulations of materials on near-term quantum computers, npj Computational Materials (2020). DOI: 10.1038/s41524-020-00353-z量子认知 | 简介科技新知识，敬请热心来关注

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