Uma equipe multi-institucional foi a primeira a gerar resultados precisos de simulações da ciência dos materiais em um computador quântico que podem ser verificados com experimentos de espalhamento de nêutrons e outras técnicas práticas.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia; a Universidade do Tennessee, Knoxville; Purdue University e D-Wave Systems aproveitaram o poder do recozimento quântico, uma forma de computação quântica, incorporando um modelo existente em um computador quântico.

Caracterizar materiais tem sido uma marca registrada dos supercomputadores clássicos, que codificam informações usando um sistema binário de bits aos quais é atribuído um valor igual a 0 ou 1. Mas computadores quânticos - neste caso, 2000Q da D-Wave - confie em qubits, que pode ser avaliado em 0, 1 ou ambos simultaneamente devido a uma capacidade mecânica quântica conhecida como superposição.

"O método subjacente por trás da resolução de problemas da ciência dos materiais em computadores quânticos já foi desenvolvido, mas era tudo teórico, "disse Paul Kairys, um aluno do Centro Bredesen de Pesquisa Interdisciplinar e Educação de Pós-Graduação da UT Knoxville que liderou as contribuições do ORNL para o projeto. "Desenvolvemos novas soluções para permitir simulações de materiais em dispositivos quânticos do mundo real."

Esta abordagem única provou que os recursos quânticos são capazes de estudar a estrutura magnética e as propriedades desses materiais, o que pode levar a uma melhor compreensão dos líquidos de spin, gelos de spin e outras novas fases da matéria úteis para armazenamento de dados e aplicações de spintrônica. Os pesquisadores publicaram os resultados de suas simulações - que combinavam com as previsões teóricas e se assemelhavam fortemente aos dados experimentais - em PRX Quantum .

Eventualmente, o poder e a robustez dos computadores quânticos podem permitir que esses sistemas superem seus equivalentes clássicos em termos de precisão e complexidade, fornecendo respostas precisas para questões de ciência de materiais em vez de aproximações. Contudo, As limitações do hardware quântico anteriormente tornavam esses estudos difíceis ou impossíveis de serem concluídos.

Para superar essas limitações, os pesquisadores programaram vários parâmetros no modelo de Shastry-Sutherland Ising. Porque ele compartilha semelhanças impressionantes com os tetraborides de terras raras, uma classe de materiais magnéticos, simulações subsequentes usando este modelo podem fornecer informações substanciais sobre o comportamento dessas substâncias tangíveis.

"Estamos animados com o fato de que a nova plataforma de recozimento quântico pode nos ajudar diretamente a entender materiais com fases magnéticas complicadas, mesmo aqueles que têm vários defeitos, "disse o co-autor Arnab Banerjee, professor assistente em Purdue. "Esse recurso nos ajudará a compreender os dados materiais reais de uma variedade de espalhamento de nêutrons, suscetibilidade magnética e experimentos de capacidade de calor, o que pode ser muito difícil de outra forma. "

Os materiais magnéticos podem ser descritos em termos de partículas magnéticas chamadas spins. Cada giro tem uma orientação preferencial com base no comportamento de seus giros vizinhos, mas os tetraboridas de terras raras ficam frustrados, o que significa que essas orientações são incompatíveis entre si. Como resultado, os spins são forçados a comprometer uma configuração coletiva, levando a um comportamento exótico, como platôs de magnetização fracionada. Este comportamento peculiar ocorre quando um campo magnético aplicado, que normalmente faz com que todos os giros apontem para uma direção, afeta apenas alguns giros da maneira usual, enquanto outros apontam na direção oposta.

Usando uma técnica de simulação de Monte Carlo alimentada pela evolução quântica do modelo de Ising, a equipe avaliou esse fenômeno em detalhes microscópicos.

"Criamos novas maneiras de representar os limites, ou bordas, do material para enganar o computador quântico fazendo-o pensar que o material era efetivamente infinito, e isso acabou sendo crucial para responder corretamente às perguntas de ciência dos materiais, "disse o co-autor correspondente, Travis Humble. Humble é um pesquisador do ORNL e vice-diretor do Quantum Science Center, ou QSC, um Centro de Pesquisa de Ciência da Informação do DOE Quantum estabelecido no ORNL em 2020. Os indivíduos e instituições envolvidos nesta pesquisa são membros do QSC.

Os recursos quânticos já simularam pequenas moléculas para examinar sistemas químicos ou materiais. Ainda, estudar materiais magnéticos que contêm milhares de átomos é possível devido ao tamanho e versatilidade do dispositivo quântico da D-Wave.

"Os processadores D-Wave agora estão sendo usados ​​para simular sistemas magnéticos de interesse prático, assemelhando-se a compostos reais. Isso é muito importante e nos leva do bloco de notas ao laboratório, "disse Andrew King, diretor de pesquisa de desempenho da D-Wave. "O objetivo final é estudar fenômenos intratáveis ​​para a computação clássica e fora do alcance dos métodos experimentais conhecidos."

Os pesquisadores prevêem que suas novas simulações servirão como base para agilizar os esforços futuros em computadores quânticos de próxima geração. Enquanto isso, eles planejam conduzir pesquisas relacionadas por meio do QSC, desde o teste de diferentes modelos e materiais até a realização de medições experimentais para validar os resultados.

"Concluímos a maior simulação possível para este modelo no maior computador quântico disponível na época, e os resultados demonstraram a promessa significativa de usar essas técnicas para estudos de ciência de materiais no futuro, "Kairys disse.