用量子计算机设计量子材料

设计具有特定奇异量子特性的量子材料是量子技术和材料科学中最大的挑战之一。具体来说，预测集体量子系统的行为将计算能力推向了极限，预测相关的量子材料甚至超越了现在或未来最强大的经典计算机。

然而，量子计算机有可能解决其中的一些问题。由于我们目前的量子计算机还处于早期阶段且不完善，一个关键问题是如何开发算法，以利用近期的量子计算资源提供对量子材料的忠实预测。

Jane和AatosErkko基金会资助了一项提案，该提案展示了不完美的量子算法如何帮助理解量子材料的行为。

该项目由阿尔托大学应用物理系的ChristianFlindt教授和JoseLado教授领导，展示了一种使用近期量子计算资源预测两个特定量子材料家族行为的新方法。

“我们正在开发能够使用不完美的量子电路预测量子材料相变的算法。这种方法使用有关系统在温度或磁场不是实数而是虚数时的行为方式的信息，”Flindt教授说。

研究人员专注于开发量子算法以解决量子材料中的两个主要问题：二维材料中的量子自旋液体和分数陈绝缘体。

“量子自旋液体和分数陈绝缘体是迷人的状态，当前的计算方法严重限制了我们对实验的理解。了解现实模型的关键方面将使我们能够设计新的策略来利用已知候选二维材料中的这些状态，包括TaS2和扭曲石墨烯多层膜，”Lado教授说。

该项目的策略是结合第一阶段的经典资源和最新阶段的量子计算机。研究人员使用最近发现的一种方法来模拟量子电路，称为张量网络模拟器，它允许使用经典资源模拟大型不完美的量子电路。

'张量网络量子电路模拟器使我们能够开发和测试量子材料中量子临界性的大规模量子算法，模拟真实量子计算机中会发生什么。一旦足够强大的量子计算机可用，我们的算法将直接允许处理超越任何经典计算机的量子材料，”Lado说。

“在第一阶段，我们的算法将在量子计算机的经典仿真上运行，因为这是最容易获得的资源。在项目的最后阶段，考虑到全球量子计算机的时间表，量子计算机有可能超越经典计算机的能力。我们的目标是在大型量子计算机上建立量子材料设计中量子优势的首批示范之一，”Flindt说。

该提案提出之际，量子计算机正在成为现实量子模拟的可行平台。量子电路方法为未来应用到更复杂的量子材料提供了垫脚石，最终提供了量子计算辅助设计量子材料的概念验证演示。