Las computadoras cuánticas tienen un enorme potencial para los cálculos que utilizan algoritmos novedosos y que involucran cantidades de datos mucho más allá de la capacidad de las supercomputadoras actuales. Si bien se han construido tales computadoras, todavía están en su infancia y tienen una aplicabilidad limitada para resolver problemas complejos en ciencia de materiales y química. Por ejemplo, solo permiten la simulación de las propiedades de unos pocos átomos para la investigación de materiales.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Chicago (UChicago) han desarrollado un método que allana el camino para usar computadoras cuánticas para simular moléculas realistas y materiales complejos. cuya descripción requiere cientos de átomos.

El equipo de investigación está dirigido por Giulia Galli, director del Centro Integrado de Materiales Computacionales del Medio Oeste (MICCoM), líder de grupo en la división de Ciencia de Materiales de Argonne y miembro del Centro de Ingeniería Molecular de Argonne. Galli también es profesor de estructura electrónica y simulaciones de la familia Liew en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker y profesor de química en UChicago. Trabajó en este proyecto con el científico asistente Marco Govoni y el estudiante de posgrado He Ma, ambos forman parte de la división de Ciencia de Materiales de Argonne y UChicago.

"Nuestro método de cálculo recientemente desarrollado, "Galli dijo, "mejora enormemente la precisión alcanzable con los métodos de mecánica cuántica existentes con respecto a los cálculos de defectos específicos en materiales cristalinos, y lo hemos implementado en una computadora cuántica ".

En las últimas tres décadas, Los enfoques teóricos de la mecánica cuántica han desempeñado un papel importante en la predicción de las propiedades de los materiales relevantes para la ciencia de la información cuántica y los materiales funcionales para aplicaciones energéticas. abarcando catalizadores y sistemas de almacenamiento de energía. Sin embargo, estos enfoques son computacionalmente exigentes, y sigue siendo un desafío aplicarlos a complejos, materiales heterogéneos.

"En nuestra investigación, desarrollamos una teoría de incrustación cuántica que permitió la simulación de 'defectos de espín' en sólidos mediante el acoplamiento de hardware de computación cuántica y clásica, ", Dijo Govoni. Estos tipos de defectos en sólidos tienen aplicabilidad al desarrollo de materiales para el procesamiento de información cuántica y aplicaciones de detección a nanoescala mucho más allá de las capacidades actuales.

"La nuestra es una poderosa estrategia prospectiva en la ciencia de los materiales computacionales con el potencial de predecir las propiedades de materiales complejos con mayor precisión que los métodos actuales más avanzados que pueden hacer en la actualidad, ", Agregó Govoni.

El equipo probó por primera vez el método de incrustación cuántica en una computadora clásica, aplicándolo a los cálculos de las propiedades de los defectos de espín en el diamante y el carburo de silicio. "Investigadores anteriores han estudiado ampliamente los defectos tanto en el diamante como en el carburo de silicio, así que teníamos abundantes datos experimentales para comparar con las predicciones de nuestro método, ", dijo Ma. La buena concordancia entre la teoría y el experimento le dio al equipo confianza en la confiabilidad de su método.

Luego, el equipo pasó a probar los mismos cálculos en un simulador cuántico y finalmente en la computadora cuántica IBM Q5 Yorktown. Los resultados confirmaron la alta precisión y eficacia de su método de incrustación cuántica. estableciendo un trampolín para resolver muchos tipos diferentes de problemas de ciencia de materiales en una computadora cuántica.

Galli señaló que, "Con la inevitable madurez de las computadoras cuánticas, esperamos que nuestro enfoque sea aplicable a la simulación de regiones de interés en moléculas y materiales para la comprensión y el descubrimiento de catalizadores y nuevos fármacos, así como soluciones acuosas que contienen especies complejas disueltas ".

El equipo de Galli forma parte de MICCoM, con sede en Argonne; el Chicago Quantum Exchange, con sede en UChicago; y el proyecto QISpin financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Su investigación aprovechó el software WEST desarrollado dentro de MICCoM y utilizó varios recursos informáticos además de la computadora cuántica IBM disponible públicamente:Argonne Leadership Computing Facility y National Energy Research Scientific Computing Center, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE; y el Centro de Investigación en Computación de la Universidad de Chicago.

El trabajo del equipo se presenta en un artículo titulado "Simulaciones cuánticas de materiales en una computadora cuántica a corto plazo" que aparece en la edición de julio de 2020 de Materiales computacionales npj .