En utilisant la puce D-Wave (au premier plan), l'équipe a simulé la signature expérimentale d'un échantillon de matériau (arrière-plan), produisant des résultats qui sont directement comparables à la sortie d'expériences du monde réel. Crédit :Paul Kairys/UT Knoxville
Une équipe multi-institutionnelle est devenue la première à générer des résultats précis à partir de simulations en science des matériaux sur un ordinateur quantique qui peuvent être vérifiés avec des expériences de diffusion de neutrons et d'autres techniques pratiques.
Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie; l'Université du Tennessee, Knoxville ; Purdue University et D-Wave Systems ont exploité la puissance du recuit quantique, une forme d'informatique quantique, en incorporant un modèle existant dans un ordinateur quantique.
La caractérisation des matériaux est depuis longtemps une marque de fabrique des supercalculateurs classiques, qui codent les informations à l'aide d'un système binaire de bits auxquels est attribuée une valeur de 0 ou de 1. Mais les ordinateurs quantiques - dans ce cas, Le 2000Q de D-Wave :reposez-vous sur les qubits, qui peut être évalué à 0, 1 ou les deux simultanément en raison d'une capacité de mécanique quantique connue sous le nom de superposition.
"La méthode sous-jacente derrière la résolution des problèmes de science des matériaux sur les ordinateurs quantiques avait déjà été développée, mais tout était théorique, " a déclaré Paul Kairys, un étudiant du Bredesen Center de l'UT Knoxville pour la recherche interdisciplinaire et l'enseignement supérieur qui a dirigé les contributions de l'ORNL au projet. "Nous avons développé de nouvelles solutions pour permettre des simulations de matériaux sur des dispositifs quantiques du monde réel."
Cette approche unique a prouvé que les ressources quantiques sont capables d'étudier la structure magnétique et les propriétés de ces matériaux, ce qui pourrait conduire à une meilleure compréhension des liquides de spin, glaces de spin et autres nouvelles phases de matière utiles pour le stockage de données et les applications de spintronique. Les chercheurs ont publié les résultats de leurs simulations, qui correspondaient aux prédictions théoriques et ressemblaient fortement aux données expérimentales, dans PRX Quantique .
Finalement, la puissance et la robustesse des ordinateurs quantiques pourraient permettre à ces systèmes de surpasser leurs homologues classiques en termes de précision et de complexité, fournir des réponses précises aux questions de science des matériaux au lieu d'approximations. Cependant, les limitations du matériel quantique rendaient auparavant de telles études difficiles ou impossibles à réaliser.
Pour surmonter ces limites, les chercheurs ont programmé divers paramètres dans le modèle Shastry-Sutherland Ising. Parce qu'il partage des similitudes frappantes avec les tétraborures de terres rares, une classe de matériaux magnétiques, des simulations ultérieures utilisant ce modèle pourraient fournir des informations substantielles sur le comportement de ces substances tangibles.
Les chercheurs ont intégré un modèle programmable dans une puce informatique quantique D-Wave. Crédit :D-Wave
« Nous sommes encouragés par le fait que la nouvelle plate-forme de recuit quantique peut nous aider directement à comprendre les matériaux avec des phases magnétiques compliquées, même ceux qui ont de multiples défauts, " a déclaré l'auteur co-correspondant Arnab Banerjee, professeur assistant à Purdue. "Cette capacité nous aidera à donner un sens aux données matérielles réelles provenant d'une variété de diffusion de neutrons, expériences de susceptibilité magnétique et de capacité calorifique, ce qui peut être très difficile autrement."
Les matériaux magnétiques peuvent être décrits en termes de particules magnétiques appelées spins. Chaque spin a une orientation préférée basée sur le comportement de ses spins voisins, mais les tétraborures de terres rares sont frustrés, ce qui signifie que ces orientations sont incompatibles les unes avec les autres. Par conséquent, les vrilles sont obligées de faire des compromis sur une configuration collective, conduisant à des comportements exotiques tels que des plateaux de magnétisation fractionnaire. Ce comportement particulier se produit lorsqu'un champ magnétique appliqué, ce qui fait normalement que toutes les rotations pointent dans une direction, n'affecte que certains spins de la manière habituelle tandis que d'autres pointent plutôt dans la direction opposée.
En utilisant une technique de simulation Monte Carlo alimentée par l'évolution quantique du modèle d'Ising, l'équipe a évalué ce phénomène dans des détails microscopiques.
"Nous avons trouvé de nouvelles façons de représenter les frontières, ou des bords, du matériau pour tromper l'ordinateur quantique en lui faisant croire que le matériau était effectivement infini, et cela s'est avéré crucial pour répondre correctement aux questions de science des matériaux, " a déclaré l'auteur co-correspondant Travis Humble. Humble est chercheur à l'ORNL et directeur adjoint du Quantum Science Center, ou QSC, un centre de recherche en sciences de l'information quantique du DOE créé à l'ORNL en 2020. Les personnes et les institutions impliquées dans cette recherche sont membres du QSC.
Les ressources quantiques ont déjà simulé de petites molécules pour examiner des systèmes chimiques ou matériels. Encore, étudier des matériaux magnétiques contenant des milliers d'atomes est possible en raison de la taille et de la polyvalence du dispositif quantique de D-Wave.
"Les processeurs D-Wave sont maintenant utilisés pour simuler des systèmes magnétiques d'intérêt pratique, ressemblant à de vrais composés. C'est une grosse affaire et nous emmène du bloc-notes au labo, " dit Andrew King, directeur de la recherche sur les performances chez D-Wave. "Le but ultime est d'étudier des phénomènes insolubles pour l'informatique classique et hors de portée des méthodes expérimentales connues."
Les chercheurs prévoient que leurs nouvelles simulations serviront de base pour rationaliser les efforts futurs sur les ordinateurs quantiques de prochaine génération. En attendant, ils prévoient de mener des recherches connexes par le biais du QSC, du test de différents modèles et matériaux à la réalisation de mesures expérimentales pour valider les résultats.
"Nous avons réalisé la plus grande simulation possible pour ce modèle sur le plus grand ordinateur quantique disponible à l'époque, et les résultats ont démontré la promesse importante d'utiliser ces techniques pour les études de science des matériaux à l'avenir, " a déclaré Kairys.
