Un team multi-istituzionale è stato il primo a generare risultati accurati da simulazioni di scienza dei materiali su un computer quantistico che possono essere verificati con esperimenti di diffusione di neutroni e altre tecniche pratiche.

Ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy; l'Università del Tennessee, Knoxville; Purdue University e D-Wave Systems hanno sfruttato la potenza della ricottura quantistica, una forma di calcolo quantistico, incorporando un modello esistente in un computer quantistico.

La caratterizzazione dei materiali è stata a lungo un segno distintivo dei classici supercomputer, che codificano le informazioni utilizzando un sistema binario di bit a cui viene assegnato un valore pari a 0 o 1. Ma i computer quantistici, in questo caso, 2000Q di D-Wave:affidati ai qubit, che può essere valutato a 0, 1 o entrambi contemporaneamente a causa di una capacità meccanica quantistica nota come sovrapposizione.

"Il metodo alla base della risoluzione dei problemi di scienza dei materiali sui computer quantistici era già stato sviluppato, ma era tutto teorico, "ha detto Paul Kairys, uno studente del Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education di UT Knoxville che ha guidato i contributi dell'ORNL al progetto. "Abbiamo sviluppato nuove soluzioni per consentire simulazioni di materiali su dispositivi quantistici del mondo reale".

Questo approccio unico ha dimostrato che le risorse quantistiche sono in grado di studiare la struttura magnetica e le proprietà di questi materiali, che potrebbe portare a una migliore comprensione dei liquidi di rotazione, spin ice e altre nuove fasi della materia utili per l'archiviazione dei dati e le applicazioni di spintronica. I ricercatori hanno pubblicato i risultati delle loro simulazioni, che corrispondevano alle previsioni teoriche e assomigliavano molto ai dati sperimentali, in PRX Quantum .

Infine, la potenza e la robustezza dei computer quantistici potrebbero consentire a questi sistemi di superare le loro controparti classiche in termini di accuratezza e complessità, fornire risposte precise alle domande sulla scienza dei materiali invece di approssimazioni. Però, Le limitazioni dell'hardware quantistico in precedenza rendevano tali studi difficili o impossibili da completare.

Per superare questi limiti, i ricercatori hanno programmato vari parametri nel modello Shastry-Sutherland Ising. Poiché condivide sorprendenti somiglianze con i tetraboruri delle terre rare, una classe di materiali magnetici, successive simulazioni che utilizzano questo modello potrebbero fornire approfondimenti sostanziali sul comportamento di queste sostanze tangibili.

"Siamo incoraggiati dal fatto che la nuova piattaforma di ricottura quantistica possa aiutarci direttamente a comprendere i materiali con fasi magnetiche complicate, anche quelli che hanno più difetti, " ha detto l'autore corrispondente Arnab Banerjee, un assistente professore alla Purdue. "Questa capacità ci aiuterà a dare un senso ai dati materiali reali da una varietà di scattering di neutroni, esperimenti di suscettività magnetica e capacità termica, che può essere molto difficile altrimenti."

I materiali magnetici possono essere descritti in termini di particelle magnetiche chiamate spin. Ogni giro ha un orientamento preferito in base al comportamento degli spin vicini, ma i tetraboruri delle terre rare sono frustrati, il che significa che questi orientamenti sono incompatibili tra loro. Di conseguenza, gli spin sono costretti a scendere a compromessi su una configurazione collettiva, portando a comportamenti esotici come i plateau di magnetizzazione frazionata. Questo comportamento peculiare si verifica quando un campo magnetico applicato, che normalmente fa sì che tutti gli spin puntino in una direzione, colpisce solo alcuni giri nel modo consueto mentre altri puntano invece nella direzione opposta.

Utilizzando una tecnica di simulazione Monte Carlo alimentata dall'evoluzione quantistica del modello di Ising, il team ha valutato questo fenomeno in dettaglio microscopico.

"Abbiamo escogitato nuovi modi per rappresentare i confini, o bordi, del materiale per indurre il computer quantistico a pensare che il materiale fosse effettivamente infinito, e questo si è rivelato cruciale per rispondere correttamente alle domande sulla scienza dei materiali, " ha detto l'autore co-corrispondente Travis Humble. Humble è un ricercatore ORNL e vicedirettore del Quantum Science Center, o QSC, un DOE Quantum Information Science Research Center istituito presso l'ORNL nel 2020. Le persone e le istituzioni coinvolte in questa ricerca sono membri QSC.

Le risorse quantistiche hanno precedentemente simulato piccole molecole per esaminare sistemi chimici o materiali. Ancora, studiare materiali magnetici che contengono migliaia di atomi è possibile grazie alle dimensioni e alla versatilità del dispositivo quantistico di D-Wave.

"I processori D-Wave vengono ora utilizzati per simulare sistemi magnetici di interesse pratico, simili a composti reali. Questo è un grosso problema e ci porta dal blocco note al laboratorio, " disse Andrew King, direttore della ricerca sulle prestazioni presso D-Wave. "L'obiettivo finale è studiare fenomeni intrattabili per l'informatica classica e al di fuori della portata dei metodi sperimentali noti".

I ricercatori prevedono che le loro nuove simulazioni serviranno come base per ottimizzare gli sforzi futuri sui computer quantistici di prossima generazione. Intanto, hanno in programma di condurre ricerche correlate attraverso il QSC, dalla sperimentazione di diversi modelli e materiali all'esecuzione di misurazioni sperimentali per convalidare i risultati.

"Abbiamo completato la più grande simulazione possibile per questo modello sul più grande computer quantistico disponibile all'epoca, e i risultati hanno dimostrato la significativa promessa di utilizzare queste tecniche per gli studi di scienza dei materiali in futuro, " ha detto Kairy.