量子計(jì)算機(jī)的潛在功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，來(lái)自美國(guó)能源部埃姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們展示了一種在材料研究中利用量子計(jì)算的新方法，通過(guò)模擬材料的自適應(yīng)算法，可以快速而準(zhǔn)確地生成解決方案。相關(guān)研究論文“多軌道雜質(zhì)模型的自適應(yīng)變分量子特征求解器的比較研究”發(fā)表在《通信物理學(xué)》雜志上。

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)完全不同。它們由量子比特構(gòu)成，可以編碼更多的信息，能夠執(zhí)行經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以完成的計(jì)算。

埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在努力借助量子計(jì)算機(jī)使材料研究更容易、更高效。埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的主要研究重點(diǎn)是稀土材料。這些材料應(yīng)用廣泛，包括智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器、發(fā)光二極管（LED）、電子顯示器和用于替代能源技術(shù)（如風(fēng)力渦輪機(jī)）的永磁體。

不過(guò)稀土材料價(jià)格昂貴且數(shù)量有限。埃姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在努力尋找更便宜、更容易獲得的材料，用來(lái)替代稀土材料。為此，科學(xué)家需要更好地了解稀土及其在各種材料和應(yīng)用中的特性。借助量子計(jì)算機(jī)，會(huì)使這項(xiàng)研究更高效，并能更快地取得進(jìn)展。

埃姆斯實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Yongxin Yao解釋說(shuō)，稀土材料的電子結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，目前在計(jì)算機(jī)上準(zhǔn)確模擬稀土材料具有挑戰(zhàn)性。他的團(tuán)隊(duì)主要基于雜質(zhì)模型開(kāi)發(fā)，該模型描述了材料中的磁性雜質(zhì)。此外，這些模型還考慮了雜質(zhì)如何與其他材料相互作用，幫助捕獲電子特性。他們的方法還使用量子嵌入來(lái)模擬散裝材料。

量子嵌入理論旨在使用較高級(jí)但昂貴的關(guān)聯(lián)函數(shù)方法描述參與反應(yīng)的原子，并將其“嵌入”到使用密度泛函理論描述的惰性固體環(huán)境中?？茖W(xué)家們采用了一種系統(tǒng)的方式來(lái)簡(jiǎn)化散裝材料的表示方式，使這些模擬成為可能。即使用量子嵌入可減少計(jì)算資源，同時(shí)保持準(zhǔn)確性。

Yao解釋說(shuō)：“為了減少計(jì)算誤差，我們需要緊湊型量子電路，特別是由一組硬件操作系統(tǒng)組成的量子電路，將系統(tǒng)從初始點(diǎn)移動(dòng)到目的地有各種路徑，由于每種操作都可能存在錯(cuò)誤，因此需要找到最短路徑。

Yao的團(tuán)隊(duì)使用的算法旨在自動(dòng)找到最短路徑。他說(shuō)，這項(xiàng)工作是助力整個(gè)系統(tǒng)朝著模擬真實(shí)材料邁出的重要一步。當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)得到充分開(kāi)發(fā)時(shí)，材料研究人員就可以更有效地發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)用于特定目的的新材料。

Yao說(shuō)：“我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些自適應(yīng)方法來(lái)構(gòu)建用于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)模擬的緊湊型量子電路。自適應(yīng)方法首次全面應(yīng)用于來(lái)自真實(shí)材料的雜質(zhì)模型，這是在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行真實(shí)材料模擬的重要一步?！?/p>

編譯：卉可

編輯：慕一

特此說(shuō)明：量子前哨翻譯此文僅作信息傳遞和參考，并不意味著同意此文中的觀點(diǎn)與數(shù)據(jù)。