Вчені з кількох провідних наукових установ — Oak Ridge National Laboratory, Purdue University та IBM — вперше застосували квантовий комп’ютер для точного моделювання властивостей магнітного матеріалу KCuF₃.
Квантові симуляції проводилися на процесорі IBM Quantum Heron, а експериментальні дані отримали за допомогою нейтронного розсіювання на установках Spallation Neutron Source в Ок-Ріджській національній лабораторії, а також у національних лабораторіях Великої Британії. Дослідження стало важливим кроком у реалізації ідеї Річард Фейнман щодо використання квантових систем для вивчення квантових матеріалів.
Матеріал KCuF₃ обрали через добре вивчені властивості. Метод нейтронного розсіювання дозволяє досліджувати динамічні та структурні характеристики системи, оскільки нейтрони слабо взаємодіють із речовиною і майже не порушують її стан. Водночас класичні методи моделювання стикаються з труднощами при описі динаміки великої кількості заплутаних спінів, що робить такі обчислення надзвичайно складними.
Квантові комп’ютери, завдяки здатності працювати з квантовими станами, відкривають нові можливості для моделювання. У цьому дослідженні вчені використали квантові схеми для симуляції взаємодій спінів у матеріалі.
Ключовим досягненням стало використання 50 кубітів із низьким рівнем помилок, що забезпечило високу точність симуляції. Додатково застосовували алгоритми, стійкі до шуму, а також класичні обчислювальні ресурси для оптимізації глибини квантових схем. Такий підхід відповідає концепції квантово-центричних обчислень, що поєднує високопродуктивні класичні системи та квантові ресурси.
Результати дослідження показали, що квантові комп’ютери можуть бути ефективними не лише для вивчення спінових гамільтоніанів, а й складніших моделей квантових матеріалів. Це відкриває нові перспективи для їх застосування у створенні матеріалів із заданими властивостями.
У майбутньому дослідники планують застосовувати квантові симуляції до ще складніших систем, ніж KCuF₃. Керівник дослідницької групи Арнаб Банерджі висловив упевненість, що подальші роботи створять ефективний зворотний зв’язок між експериментами та симуляціями, покращать моделі та прискорять розробку нових матеріалів. Джерело
