- Ein IBM-Quantenprozessor bildet Neutronenstreuexperimente an realen magnetischen Materialien präzise nach.
- Der magnetische Kristall KCuF3 dient als Testumgebung, um Quantensimulationen anhand von Labordaten zu validieren.
- Fehlerreduzierung bei Zwei-Qubit-Gattern und hybriden Arbeitsabläufen öffnet die Tür zum angewandten Quanten-Supercomputing.
- Die Fortschritte deuten auf Auswirkungen in den Bereichen neue Materialien, Energie, medizinische Bildgebung und Arzneimittelentwicklung hin, wobei Europa und Spanien von besonderem Interesse sind.
La computación cuántica Es weckt seit Jahren Erwartungen, aber auch Zweifel an seinem tatsächlichen Potenzial, über Laborexperimente hinauszugehen. Nun hat eine internationale Studie unter Beteiligung von IBM und der Zentrum für Quantenwissenschaften Das vom US-Energieministerium finanzierte Projekt hat einen Schritt erreicht, den viele noch für fern hielten: um reale magnetische Materialien genau zu simulieren und Ergebnisse aus großen experimentellen Anlagen zu reproduzieren.
Die Studie zeigt, dass ein IBM-Quantencomputer Es ist in der Lage, die gewonnenen Daten mit großer Genauigkeit zu reproduzieren durch Neutronenstreuexperimenteeine Standardtechnik zur Untersuchung der Struktur und der inneren Dynamik von Materialien. Dies bestärkt die Annahme, dass diese Prozessoren zu einer neuen Art von wissenschaftliches Instrument, nützlich sowohl in der Grundlagenforschung als auch in wirkungsvollen industriellen Anwendungen, von Supraleitern bis hin zu neuen Medikamenten.
Ein Schlüsselexperiment: vom Neutronenlabor zum Quantenprozessor
Die Arbeit wurde von einem Konsortium führender Zentren durchgeführt, darunter die Oak Ridge National Laboratorysind Purdue Universitätsind University of Illinois Urbana-Champaignist die Nationales Laboratorium von Los Alamossind Universität von Tennessee und IBM. Das Projekt ist Teil der Aktivitäten von Zentrum für Quantenwissenschaften, unterstützt vom US-Energieministerium, das neue Anwendungen der Quantentechnologie bei komplexen wissenschaftlichen Problemen fördert.
Um den Quantenprozessor zu testen, konzentrierte sich das Team auf ein in der Festkörperphysik wohlbekanntes Material: KCuF3-MagnetkristallDiese Verbindung wird häufig als Referenzsystem verwendet, da ihre magnetischen Eigenschaften gut charakterisiert sind und zahlreiche Messungen darüber vorliegen. NeutronenstreuungDie Verfügbarkeit fundierter experimenteller Daten macht es zu einem idealen Kandidaten, um zu testen, wie genau eine Quantensimulation die Realität annähern kann.
Die Forscher modellierten die Spin-Wechselwirkungen von KCuF3 und verglichen die numerischen Ergebnisse direkt mit den in Neutronenanlagen erhaltenen Kurven. Übereinstimmung zwischen Qubit-Simulationen und Labordaten Laut Experten, die an der Studie beteiligt waren, handelt es sich um eine der engsten Passformen, die bisher bei Experimenten dieser Art beobachtet wurden.
Diese experimentelle Validierung ist besonders relevant für die spanische und europäische Wissenschaftsgemeinschaft, wo es große Einrichtungen gibt, die sich mit Dispersionstechniken befassen, wie zum Beispiel die Laue-Langevin-Institut (in Europa) oder Neutronen- und Synchrotronquellen, die von zahlreichen Forschungsgruppen in Spanien genutzt werden. Die Möglichkeit, einige dieser Ergebnisse in einem Quantenprozessor zu replizieren, eröffnet neue Wege für die Zusammenarbeit zwischen wichtige europäische wissenschaftliche Infrastrukturen und Anbieter von Quantentechnologie.
Wie dies erreicht wurde: hybride Arbeitsabläufe und weniger Fehler
Einer der Punkte, die das Team besonders hervorhebt, ist, dass dieses Ergebnis nicht allein auf der größeren Anzahl an Qubits beruht, sondern auf einer Kombination aus bessere Hardware und neue AlgorithmenDer verwendete Ansatz wird als ein Arbeitsablauf beschrieben Supercomputing mit Schwerpunkt auf Quantencomputingwo klassische und Quantenressourcen die Arbeit koordiniert aufteilen.
In der Praxis werden die Teile des Problems, die mit herkömmlichen Prozessoren effizient gelöst werden können, den anderen überlassen. klassisches SupercomputingKomplexere Quantenphänomene – wie etwa die Spindynamik in magnetischen Materialien – werden hingegen der universeller QuantenprozessorDiese Hybridarchitektur ermöglicht es Ihnen, die Stärken jeder Technologie zu nutzen und ihre aktuellen Einschränkungen zu minimieren.
Laut IBM war einer der entscheidenden Faktoren die Reduzierung der Fehlerraten in Zwei-Qubit-GatternDies ist ein entscheidender Parameter für die Zuverlässigkeit der Berechnung. Die verbesserte Genauigkeit dieser Operationen ermöglicht es, komplexere Quantenschaltungen ohne störendes Rauschen in der Simulation zu implementieren, was zu numerischen Ergebnissen führt, die mit Labordaten übereinstimmen.
Das Team hat sich zudem fortschrittliche Techniken zunutze gemacht. Fehlerminderung und die Programmierbarkeit der Hardware, so dass der gleiche Ansatz über KCuF3 hinaus erweitert wurde in Richtung Materialklassen mit komplexeren WechselwirkungenEinschließlich QuantenflüssigkristalleDies lässt vermuten, dass es sich hierbei nicht um einen Einzelfall handelt, sondern um einen allgemeingültigen Ansatz zur Untersuchung anderer magnetischer Systeme von technologischem Interesse.
Für den europäischen Forschungssektor, der Supercomputing-Netzwerke wie beispielsweise kombiniert EuroHPC Bei Programmen zur Förderung der Quantentechnologie passt diese Art von hybridem Arbeitsablauf gut zur aktuellen Strategie: Quantenprozessoren als spezialisierte Beschleuniger in eine bereits etablierte Infrastruktur zu integrieren, anstatt sie als vollständigen Ersatz für klassische Systeme zu präsentieren.
Von der Grundlagenphysik bis zu Anwendungen: Materialien, Energie und Gesundheit
Die Bedeutung des Experiments geht weit über den Nachweis hinaus, dass das Verhalten eines bekannten magnetischen Kristalls reproduziert werden kann. Laut dem Team von Zentrum für QuantenwissenschaftenDie in dieser Arbeit validierte Technologie adressiert direkt drängende Probleme in Materialwissenschaft, Chemie und Biologiewobei die exakte Beschreibung der Quantenmechanik von zentraler Bedeutung ist.
Die Möglichkeit, magnetische Materialien und andere komplexe Quantensysteme zu simulieren, eröffnet neue Wege für deren Entwicklung. neue Supraleitereffizientere Batterien, Verbindungen für erweitertes medizinisches Bild und relevante Moleküle in der Pharmazeutische EntwicklungIn all diesen Bereichen greifen klassische Methoden oft auf Näherungen zurück, um die kombinatorische Explosion des Problems zu bewältigen, die die Genauigkeit der Vorhersagen einschränkt.
Die Autoren der Studie betonen, dass der Quantencomputer experimentelle Einrichtungen nicht ersetzt, sondern zu einer solchen werden kann. strategische Ergänzung Dies ermöglicht eine schnellere Untersuchung potenzieller Materialien vor dem Übergang ins Labor. Für die europäische Industrie, die sich stark auf Sektoren wie... konzentriert. Erneuerbare EnergienOb es um die Elektrifizierung des Verkehrs oder die Biotechnologie geht, solche Instrumente könnten die Entwicklungszeiten verkürzen und die Kosten in Forschungs- und Entwicklungsprozessen senken.
Parallel zu diesem Fortschritt bei magnetischen Materialien haben IBM und seine Partner weitere Meilensteine in jüngster Zeit gemeldet, wie zum Beispiel die erste Quantensimulation eines halben Möbius-Moleküls —eine in der Natur nicht vorkommende Struktur— und groß angelegte Proteinsimulationen in Zusammenarbeit mit führenden Gesundheitseinrichtungen. Diese Ergebnisse bestärken die Annahme, dass Quantencomputing beginnt, Probleme anzugehen, die von den wissenschaftlichen Gemeinschaften selbst definiert wurden, und nicht nur isolierte Machbarkeitsstudien.
Für Spanien und den Rest Europas, wo Universitäten, Forschungszentren und Technologieunternehmen bereits an paneuropäischen Projekten teilnehmen Quantencomputing und SupercomputingFortschritte wie diese liefern zusätzliche Argumente dafür, weiterhin in Talente, Infrastruktur und öffentlich-private Zusammenarbeit in diesem Bereich zu investieren.
Eine neue Rolle für Quantencomputer im Supercomputing
Dieses Experiment ist Teil eines umfassenderen Wandels in der Nutzung von Quantencomputern. Anstatt sie die gesamte Arbeit erledigen zu lassen, werden sie zunehmend als … betrachtet. Spezialbeschleuniger Sie sind in Supercomputing-Workflows integriert. Die Idee erinnert an die Rolle, die GPUs in der Welt der künstlichen Intelligenz und der wissenschaftlichen Simulation einnehmen.
In diesem Fall ist der Ansatz mit Schwerpunkt auf Quantencomputing Es ist explizit darauf ausgelegt, wissenschaftlichen und potenziell auch kommerziellen Nutzen zu bieten. An Quantenhardware angepasste Algorithmen werden mit klassischen Stufen kombiniert, die die Daten aufbereiten, verarbeiten und analysieren, wodurch beide Welten genutzt werden, ohne sich bisher auf sogenannte Quantencomputer zu stützen. fehlertolerante Quantencomputerdie ein langfristiges Ziel bleiben.
Aus Sicht des Technologiemanagements in europäischen Unternehmen und Institutionen passt dieses Hybridmodell zu den Strategien, die bereits im Supercomputing verfolgt werden: die Integration von Quantenbeschleunigern als weitere Ressource in Rechenzentren und das Angebot von Zugriffen über die WolkeIBM bietet seine Quantenprozessoren beispielsweise über Cloud-Plattformen an, die bereits von Universitäten und Forschungszentren in Spanien und anderen europäischen Ländern genutzt werden.
Gleichzeitig verdeutlicht der Fortschritt, dass der Schlüssel nicht nur in der Anzahl der Qubits liegt, sondern auch in der Hardwarequalität und SoftwaredesignDie Reduzierung von Fehlern, die Verbesserung der Stabilität von Qubits und die Verfeinerung der Algorithmen, die diese verwalten, werden entscheidend dafür sein, dass diese Simulationen von spezifischen Fallstudien zu gängigen Werkzeugen in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Branchen wie der Automobil-, Pharma- und Energieindustrie werden.
In diesem Kontext könnte die in diesem Projekt beobachtete Zusammenarbeit zwischen großen nationalen Laboren, Universitäten und Technologieunternehmen als Vorbild für ähnliche Initiativen in der Europäischen Union dienen, wo bereits ein starkes Engagement für die Kombination von Forschung und Entwicklung besteht. Supercomputing, KI und Quantentechnologien unter der gleichen Strategie.
Das mit dem Quantencomputer von IBM erzielte Ergebnis Reale magnetische Materialien präzise simulieren Dies markiert einen Wendepunkt im Übergang des Quantencomputings vom Machbarkeitsnachweis zum praktischen wissenschaftlichen Werkzeug. Durch die Reproduktion von Neutronenstreudaten an einem Referenzmaterial wie KCuF3 mithilfe hybrider Arbeitsabläufe, die klassisches Supercomputing und Quantenprozessoren kombinieren, untermauert diese Arbeit die Idee, dass Quantencomputer kurz- und mittelfristig in die Prozesse der Entdeckung neuer Materialien und Moleküle integriert werden können. Für Europa und Spanien, wo eine solide wissenschaftliche Infrastruktur und Supercomputing-Kapazitäten vorhanden sind, eröffnet dieser Fortschritt ein Szenario, in dem die Zusammenarbeit mit kommerziellen Quantenplattformen die Forschung in den Bereichen Energie, Gesundheit und Materialtechnologie beschleunigen kann, vorausgesetzt, die Verbesserungen bei Hardware, Algorithmen und Cloud-Zugriffsmodellen werden weiter konsolidiert.