Résolution des problèmes de matériaux avec un ordinateur quantique

Résolution des problèmes de matériaux avec un ordinateur quantique

Résolution des problèmes de matériaux avec un ordinateur quantique

Rendu artistique de la structure atomique du cristal de carbure de silicium montrant un défaut (cercle violet) et une région d’intérêt identifiée avec la théorie de la mécanique quantique (sphère d’argent). Crédit: Université de Chicago

Les ordinateurs quantiques ont un potentiel énorme pour les calculs utilisant de nouveaux algorithmes et impliquant des quantités de données bien au-delà de la capacité des supercalculateurs actuels. Bien que de tels ordinateurs aient été construits, ils en sont encore à leurs balbutiements et ont une applicabilité limitée pour résoudre des problèmes complexes en science des matériaux et en chimie. Par exemple, ils ne permettent la simulation des propriétés de quelques atomes que pour la recherche sur les matériaux.


Des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et de l’Université de Chicago (UChicago) ont développé une méthode ouvrant la voie à l’utilisation d’ordinateurs quantiques pour simuler des molécules réalistes et des matériaux complexes, dont la description nécessite des centaines d’atomes.

L’équipe de recherche est dirigée par Giulia Galli, directrice du Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), chef de groupe de la division Science des matériaux d’Argonne et membre du Center for Molecular Engineering d’Argonne. Galli est également professeur de la famille Liew en structure électronique et simulations à la Pritzker School of Molecular Engineering et professeur de chimie à UChicago. Elle a travaillé sur ce projet avec l’assistant scientifique Marco Govoni et l’étudiant diplômé He Ma, tous deux faisant partie de la division Science des matériaux d’Argonne et de UChicago.

« Notre méthode de calcul nouvellement développée », a déclaré Galli, « améliore considérablement la précision réalisable avec les méthodes de mécanique quantique existantes concernant les calculs de défauts spécifiques dans les matériaux cristallins, et nous l’avons implémentée sur un ordinateur quantique. »

Au cours des trois dernières décennies, les approches théoriques de la mécanique quantique ont joué un rôle important dans la prédiction des propriétés des matériaux pertinents pour la science de l’information quantique et des matériaux fonctionnels pour les applications énergétiques, y compris les catalyseurs et les systèmes de stockage d’énergie. Cependant, ces approches sont exigeantes en termes de calcul et il est toujours difficile de les appliquer à des matériaux complexes et hétérogènes.

«Dans notre recherche, nous avons développé une théorie de l’enrobage quantique qui a permis la simulation des« défauts de spin »dans les solides en couplant le matériel informatique quantique et classique», a déclaré Govoni. Ces types de défauts dans les solides peuvent s’appliquer au développement de matériaux pour le traitement de l’information quantique et les applications de détection à l’échelle nanométrique bien au-delà des capacités actuelles.

« Notre stratégie est une puissante stratégie tournée vers l’avenir dans le domaine de la science informatique des matériaux, avec le potentiel de prédire les propriétés de matériaux complexes avec plus de précision que les méthodes actuelles les plus avancées ne peuvent le faire à l’heure actuelle », a ajouté Govoni.

L’équipe a d’abord testé la méthode d’enrobage quantique sur un ordinateur classique, en l’appliquant aux calculs des propriétés des défauts de spin dans le diamant et le carbure de silicium. «Les anciens chercheurs ont étudié de manière approfondie les défauts du diamant et du carbure de silicium, nous avions donc d’abondantes données expérimentales à comparer avec les prévisions de notre méthode», a déclaré Ma. Le bon accord entre la théorie et l’expérience a donné à l’équipe confiance dans la fiabilité de sa méthode.

L’équipe a ensuite testé les mêmes calculs sur un simulateur quantique et enfin sur l’ordinateur quantique IBM Q5 Yorktown. Les résultats ont confirmé la grande précision et l’efficacité de leur méthode d’inclusion quantique, établissant un tremplin pour résoudre de nombreux types de problèmes de science des matériaux sur un ordinateur quantique.

Galli a noté que, « Avec la maturité inévitable des ordinateurs quantiques, nous prévoyons que notre approche sera applicable à la simulation de régions d’intérêt dans des molécules et des matériaux pour la compréhension et la découverte de catalyseurs et de nouveaux médicaments, ainsi que de solutions aqueuses contenant des complexes dissous espèce. »

L’équipe de Galli fait partie de MICCoM, dont le siège est à Argonne; le Chicago Quantum Exchange, dont le siège est à UChicago; et le projet QISpin financé par le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air.

Leurs recherches ont tiré parti du logiciel WEST développé au sein de MICCoM et ont utilisé plusieurs ressources informatiques en plus de l’ordinateur quantique IBM accessible au public: l’Argonne Leadership Computing Facility et le National Energy Research Scientific Computing Center, tous deux du DOE Office of Science User Facilities; et le Centre de recherche informatique de l’Université de Chicago.

Le travail de l’équipe est présenté dans un article intitulé « Simulations quantiques de matériaux sur un ordinateur quantique à court terme » paru dans le numéro de juillet 2020 de Matériaux de calcul npj.


Une nouvelle méthode prédit la dynamique de spin des matériaux pour le calcul quantique


Plus d’information:
He Ma et al, Simulations quantiques de matériaux sur des ordinateurs quantiques à court terme, Matériaux de calcul npj (2020). DOI: 10.1038 / s41524-020-00353-z

Fourni par le Laboratoire National d’Argonne

Citation: Résoudre les problèmes de matériaux avec un ordinateur quantique (28 juillet 2020) récupéré le 29 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-materials-problems-quantum.html

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