解决复杂材料电子结构的新量子方法

如果你知道组成特定分子或固体材料的原子，那么这些原子之间的相互作用可以通过求解量子力学方程式计算确定——至少，如果分子又小又简单。然而，求解这些对于从材料工程到药物设计等领域至关重要的方程式，对于复杂的分子和材料来说需要非常长的计算时间。

现在，能源部(DOE)阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)和化学系的研究人员探索了使用量子计算机解决这些电子结构的可能性。

该研究结合使用了新的计算方法，在线发表在《化学理论与计算杂志》上。它得到了Q-NEXT和中西部计算材料综合中心(MICCoM)的支持，Q-NEXT是阿贡领导的能源部国家量子信息科学研究中心。

“这是朝着使用量子计算机解决计算化学中具有挑战性的问题迈出的令人兴奋的一步，”GiuliaGalli说，他与Argonne的科学家兼UChicago高级科学与工程联盟(CASE)成员MarcoGovoni一起领导了这项研究.

计算挑战

预测材料的电子结构涉及求解确定电子如何相互作用的复杂方程，以及模拟各种可能结构在整体能级中如何相互比较。

与以二进制位存储信息的传统计算机不同，量子计算机使用可以叠加状态存在的量子位，让它们更容易、更快速地解决某些问题。计算化学家一直在争论量子计算机是否以及何时最终能够比传统计算机更好地解决复杂材料的电子结构问题。然而，今天的量子计算机仍然相对较小并且会产生嘈杂的数据。

即使存在这些弱点，加利和她的同事们想知道他们是否仍然可以在创建解决量子计算机电子结构问题所需的基础量子计算方法方面取得进展。

“我们真正想解决的问题是，可以用当前状态的量子计算机做什么，”Govoni说。“我们问了一个问题：即使量子计算机的结果很嘈杂，它们是否仍然有助于解决材料科学中有趣的问题?”

迭代过程

研究人员使用IBM量子计算机设计了一个混合模拟过程。在他们的方法中，少量的量子位——4到6个——执行部分计算，然后使用经典计算机进一步处理结果。

“我们设计了一个迭代计算过程，利用了量子计算机和传统计算机的优势，”Galli小组的研究生、这篇新论文的第一作者BenchenHuang说。

经过几次迭代，模拟过程能够提供固态材料中几种自旋缺陷的正确电子结构。此外，该团队开发了一种新的错误缓解方法，以帮助控制量子计算机产生的固有噪声并确保结果的准确性。

对未来的暗示

目前，使用新的量子计算方法解决的电子结构已经可以使用传统计算机解决。因此，关于量子计算机在解决电子结构问题方面是否优于经典计算机的长期争论尚未平息。

然而，新方法提供的结果为量子计算机处理更复杂的化学结构铺平了道路。

“当我们将其扩展到100个量子位而不是4个或6个时，我们认为我们可能比传统计算机更具优势，”Huang说。“但只有时间才能确定。”

该研究小组计划不断改进和扩大他们的方法，并用它来解决不同类型的电子问题，例如溶剂存在下的分子，以及处于激发态的分子和材料。