Un equipo multiinstitucional se convirtió en el primero en generar resultados precisos a partir de simulaciones de ciencia de materiales en una computadora cuántica que se pueden verificar con experimentos de dispersión de neutrones y otras técnicas prácticas.

Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía; la Universidad de Tennessee, Knoxville; Purdue University y D-Wave Systems aprovecharon el poder del recocido cuántico, una forma de computación cuántica, incrustando un modelo existente en una computadora cuántica.

La caracterización de materiales ha sido durante mucho tiempo un sello distintivo de las supercomputadoras clásicas, que codifican información utilizando un sistema binario de bits a los que se les asigna un valor de 0 o 1. Pero las computadoras cuánticas, en este caso, 2000Q de D-Wave:confíe en qubits, que se puede valorar en 0, 1 o ambos simultáneamente debido a una capacidad mecánica cuántica conocida como superposición.

"El método subyacente detrás de la resolución de problemas de ciencia de materiales en computadoras cuánticas ya se había desarrollado, pero todo fue teórico, "dijo Paul Kairys, estudiante del Centro Bredesen de Investigación Interdisciplinaria y Educación de Posgrado de UT Knoxville que dirigió las contribuciones de ORNL al proyecto. "Desarrollamos nuevas soluciones para permitir simulaciones de materiales en dispositivos cuánticos del mundo real".

Este enfoque único demostró que los recursos cuánticos son capaces de estudiar la estructura magnética y las propiedades de estos materiales. lo que podría conducir a una mejor comprensión de los líquidos de centrifugado, hielos de espín y otras fases novedosas de la materia útiles para el almacenamiento de datos y aplicaciones de espintrónica. Los investigadores publicaron los resultados de sus simulaciones, que coincidían con las predicciones teóricas y se parecían mucho a los datos experimentales, en PRX Quantum .

Finalmente, el poder y la robustez de las computadoras cuánticas podrían permitir que estos sistemas superen a sus contrapartes clásicas en términos de precisión y complejidad, proporcionando respuestas precisas a preguntas sobre ciencia de materiales en lugar de aproximaciones. Sin embargo, Las limitaciones del hardware cuántico anteriormente hacían que tales estudios fueran difíciles o imposibles de completar.

Para superar estas limitaciones, los investigadores programaron varios parámetros en el modelo de Shastry-Sutherland Ising. Debido a que comparte sorprendentes similitudes con los tetraboruros de tierras raras, una clase de materiales magnéticos, Las simulaciones posteriores que utilicen este modelo podrían proporcionar información sustancial sobre el comportamiento de estas sustancias tangibles.

"Nos alienta que la novedosa plataforma de recocido cuántico pueda ayudarnos directamente a comprender materiales con fases magnéticas complicadas". incluso aquellos que tienen múltiples defectos, "dijo el coautor correspondiente Arnab Banerjee, profesor asistente en Purdue. "Esta capacidad nos ayudará a dar sentido a los datos de materiales reales de una variedad de dispersión de neutrones, experimentos de susceptibilidad magnética y capacidad calorífica, lo cual puede ser muy difícil de otra manera ".

Los materiales magnéticos se pueden describir en términos de partículas magnéticas llamadas espines. Cada giro tiene una orientación preferida basada en el comportamiento de sus giros vecinos, pero los tetraboruros de tierras raras se frustran, lo que significa que estas orientaciones son incompatibles entre sí. Como resultado, los giros se ven obligados a comprometerse en una configuración colectiva, conduciendo a comportamientos exóticos como mesetas de magnetización fraccionada. Este comportamiento peculiar ocurre cuando un campo magnético aplicado, que normalmente hace que todos los giros apunten en una dirección, afecta solo a algunos giros de la forma habitual, mientras que otros apuntan en la dirección opuesta.

Usando una técnica de simulación de Monte Carlo impulsada por la evolución cuántica del modelo de Ising, el equipo evaluó este fenómeno en detalle microscópico.

"Se nos ocurrieron nuevas formas de representar los límites, o bordes, del material para engañar a la computadora cuántica haciéndole creer que el material era efectivamente infinito, y resultó ser crucial para responder correctamente a las preguntas de ciencia de materiales, ", dijo el coautor correspondiente Travis Humble. Humble es investigador de ORNL y subdirector del Quantum Science Center, o QSC, un Centro de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica del DOE establecido en ORNL en 2020. Las personas e instituciones involucradas en esta investigación son miembros de QSC.

Los recursos cuánticos han simulado previamente moléculas pequeñas para examinar sistemas químicos o materiales. Todavía, El estudio de materiales magnéticos que contienen miles de átomos es posible debido al tamaño y versatilidad del dispositivo cuántico de D-Wave.

"Los procesadores D-Wave ahora se utilizan para simular sistemas magnéticos de interés práctico, asemejándose a compuestos reales. Esto es muy importante y nos lleva del bloc de notas al laboratorio, "dijo Andrew King, director de investigación de desempeño en D-Wave. "El objetivo final es estudiar fenómenos que son intratables para la computación clásica y que están fuera del alcance de los métodos experimentales conocidos".

Los investigadores anticipan que sus novedosas simulaciones servirán como base para agilizar los esfuerzos futuros en las computadoras cuánticas de próxima generación. Mientras tanto, planean realizar investigaciones relacionadas a través del QSC, desde probar diferentes modelos y materiales hasta realizar mediciones experimentales para validar los resultados.

"Completamos la simulación más grande posible para este modelo en la computadora cuántica más grande disponible en ese momento, y los resultados demostraron la importante promesa de utilizar estas técnicas para los estudios de ciencia de materiales en el futuro, "Dijo Kairys.