Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp mở đường cho việc sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng các phân tử thực tế và các vật liệu phức tạp. Họ đã thử nghiệm phương pháp này trên máy mô phỏng lượng tử và máy tính lượng tử IBM.
Máy tính lượng tử có tiềm năng lớn để tính toán bằng các thuật toán mới và liên quan đến lượng dữ liệu vượt xa khả năng của các siêu máy tính ngày nay. Trong khi các máy tính như vậy đã được chế tạo, chúng vẫn còn trong giai đoạn trứng nước và có khả năng ứng dụng hạn chế để giải quyết các vấn đề phức tạp trong khoa học vật liệu và hóa học. Ví dụ, họ chỉ cho phép mô phỏng các tính chất của một vài nguyên tử để nghiên cứu vật liệu.
Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Đại học Chicago (UChicago) đã phát triển một phương pháp mở đường cho việc sử dụng máy tính lượng tử để mô phỏng các phân tử thực và vật liệu phức tạp, mà mô tả cần hàng trăm nguyên tử.
Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giulia Galli, giám đốc Trung tâm tích hợp vật liệu tính toán Trung Tây (MICCoM), trưởng nhóm trong bộ phận Khoa học vật liệu của Argonne và là thành viên của Trung tâm Kỹ thuật phân tử tại Argonne. Galli cũng là Giáo sư về Cấu trúc và Mô phỏng Điện tử của Gia đình Liew trong Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker và là Giáo sư Hóa học tại UChicago. Cô đã làm việc trong dự án này với trợ lý nhà khoa học Marco Govoni và nghiên cứu sinh He Ma, cả hai đều thuộc bộ phận Khoa học Vật liệu của Argonne và UChicago.
“Phương pháp tính toán mới được phát triển của chúng tôi cải thiện đáng kể độ chính xác đạt được với các phương pháp cơ học lượng tử hiện có liên quan đến các tính toán cho các khuyết tật cụ thể trong vật liệu tinh thể, và chúng tôi đã thực hiện nó trên máy tính lượng tử.”
Trong ba thập kỷ qua, các phương pháp lý thuyết cơ học lượng tử đã đóng một vai trò quan trọng trong việc dự đoán tính chất của vật liệu liên quan đến khoa học thông tin lượng tử và vật liệu chức năng cho các ứng dụng năng lượng, bao gồm các chất xúc tác và hệ thống lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, những cách tiếp cận này đòi hỏi tính toán và vẫn còn khó khăn khi áp dụng chúng cho các vật liệu phức tạp, không đồng nhất.
“Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã phát triển một lý thuyết nhúng lượng tử cho phép mô phỏng” khuyết tật spin “trong chất rắn bằng cách ghép phần cứng máy tính lượng tử và cổ điển,” Govoni nói thêm.
Những loại khiếm khuyết trong chất rắn có khả năng ứng dụng vào việc phát triển vật liệu để xử lý thông tin lượng tử và ứng dụng cảm biến nano ở mức vượt xa khả năng hiện tại.
Chúng ta có một chiến lược hướng tới tương lai mạnh mẽ trong khoa học vật liệu tính toán với tiềm năng dự đoán các tính chất của vật liệu phức tạp chính xác hơn các phương pháp hiện đại nhất hiện nay có thể làm.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp nhúng lượng tử trên một máy tính cổ điển, áp dụng nó vào việc tính toán các tính chất của khuyết tật spin trong kim cương và silicon carbide. Các nhà nghiên cứu trong quá khứ đã nghiên cứu rộng rãi các khiếm khuyết ở cả kim cương và silicon carbide, vì vậy nhóm của Govoni có dữ liệu thử nghiệm phong phú để so sánh với dự đoán của phương pháp của họ. Kết quả tốt giữa lý thuyết và thử nghiệm đã cho nhóm tự tin về độ tin cậy của phương pháp.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang thử nghiệm các tính toán tương tự trên một trình giả lập lượng tử và cuối cùng trên máy tính lượng tử IBM York. Các kết quả đã xác nhận tính chính xác và hiệu quả cao của phương pháp nhúng lượng tử của họ, thiết lập một bước đệm để giải quyết nhiều loại vấn đề khoa học vật liệu khác nhau trên máy tính lượng tử.
Galli lưu ý rằng, “Với sự trưởng thành không thể tránh khỏi của máy tính lượng tử, chúng tôi hy vọng phương pháp của chúng tôi sẽ được áp dụng để mô phỏng các vùng quan tâm trong phân tử và vật liệu để hiểu và phát hiện ra chất xúc tác và thuốc mới, cũng như các dung dịch nước có chứa chất hòa tan loài.”
Đội ngũ của Galli là một phần của MICCoM, có trụ sở tại Argonne; Sàn giao dịch lượng tử Chicago có trụ sở tại UChicago; và dự án QISpin do Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân tài trợ.
Nghiên cứu của họ đã thúc đẩy phần mềm TÂY được phát triển trong MICCoM và sử dụng một số tài nguyên điện toán bên cạnh máy tính lượng tử IBM có sẵn công khai: Cơ sở tính toán lãnh đạo Argonne và Trung tâm tính toán khoa học nghiên cứu năng lượng quốc gia, cả Văn phòng người dùng khoa học DOE; và Trung tâm nghiên cứu máy tính của Đại học Chicago.
Công việc của nhóm được trình bày trong một bài báo có tên “Mô phỏng lượng tử vật liệu trên máy tính lượng tử gần hạn” xuất hiện trong số tháng 7 năm 2020 của Tài liệu tính toán npj (npj Computational Materials). Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Văn phòng Khoa học DOE và Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Argonne . Bản gốc được viết bởi Joseph E. Harmon. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :