Kvantový počítač IBM přesně simuloval magnetické materiály a otevírá cestu k revolučním objevům

Vědci dosáhli významného průlomu v oblasti kvantových simulací, když pomocí kvantového počítače IBM Quantum Heron přesně simulovali energeticko-momentové spektrum dobře prozkoumaného magnetického materiálu KCuF3. Výsledky těchto simulací se pozoruhodně shodují s experimentálními daty získanými z neutronového rozptylu v národních laboratořích, což představuje důležitý krok k využití kvantových počítačů pro vědecké objevy.

Studium a navrhování nových materiálů je klíčovou aplikací kvantové mechaniky. Chemici, materiáloví vědci a fyzici se zaměřují na jemné interakce v kvantových materiálech, k jejichž odhalení se spoléhají na sofistikované výpočetní a experimentální techniky. Klasické počítače však často narážejí na limity při simulaci těchto komplexních vlastností. Kvantové počítače nabízejí nový nástroj, který dokáže tyto výzvy překonat. Tým výzkumníků z Oak Ridge National Lab (ORNL), Purdue University, Los Alamos Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, University of Tennessee a IBM tak potvrdil vizi Richarda Feynmana o využití programovatelných kvantových systémů k simulaci vlastností jiných kvantových systémů.

Experimentální data byla získána z neutronových zdrojů ve Spallation Neutron Source (SNS) v ORNL a v Rutherford Appleton Laboratory ve Spojeném království. Neutronový rozptyl je cennou metodou, protože neutrony slabě interagují se systémem, což poskytuje velmi čistá data o skutečném stavu materiálu. Měřené veličiny však kódují dynamiku mnoha provázaných spinů, což je pro klasické metody notoricky obtížné vypočítat. „Existuje tolik dat z neutronového rozptylu magnetických materiálů, kterým plně nerozumíme kvůli omezením přibližných klasických metod,“ uvedl Arnab Banerjee, hlavní výzkumník a asistent profesora fyziky a astronomie na Purdue University.

Úspěch simulace byl umožněn nízkou chybovostí napříč všemi padesáti qubity použitými pro simulaci na procesoru IBM Quantum Heron. Hardwarový pokrok byl doplněn algoritmem odolným vůči šumu a využitím klasických výpočetních zdrojů pro snížení hloubky kvantových obvodů. Tento přístup je v souladu s vizí IBM o kvantově-centrickém superpočítání, které kombinuje vysoce výkonné výpočty (HPC) s kvantovými zdroji pro řešení vědeckých problémů.

Výzkumníci plánují aplikovat tento typ simulace na kvantové materiály s vyšší dimenzionalitou a složitostí. Očekává se, že další charakterizace reálných materiálů a jejich simulace vytvoří zpětnou vazbu, která zlepší simulace natolik, že je bude možné použít k navrhování zcela nových materiálů s požadovanými vlastnostmi. Tato práce potvrzuje, že kvantové počítače mohou najít užitečné aplikace jako spolehlivé kvantové simulátory, a to ještě před příchodem plně tolerantních kvantových počítačů.