- IBM-ov kvantni procesor natančno replicira poskuse sipanja nevtronov na resničnih magnetnih materialih.
- Magnetni kristal KCuF3 služi kot testna platforma za validacijo kvantnih simulacij v primerjavi z laboratorijskimi podatki.
- Zmanjšanje napak v vratih z dvema kubitoma in hibridni delovni tokovi odpirajo vrata uporabnemu kvantnemu superračunalništvu.
- Napredek kaže na vplive na področju novih materialov, energije, medicinskega slikanja in razvoja zdravil, s posebnim poudarkom na Evropi in Španiji.
La kvantno računalništvo Že leta vzbuja pričakovanja, a tudi dvome o njegovi resnični zmožnosti preseganja laboratorijskih poskusov. Zdaj pa mednarodna študija, v kateri sodelujeta IBM in Center za kvantne znanosti Financirano s strani ameriškega ministrstva za energijo je doseglo korak, ki so ga mnogi imeli za še vedno oddaljenega: za natančno simulacijo resničnih magnetnih materialov in reprodukcijo rezultatov iz velikih eksperimentalnih laboratorijev.
Študija kaže, da IBM kvantni računalnik Z veliko natančnostjo je sposoben replicirati podatke, pridobljene z poskusi sipanja nevtronovstandardna tehnika za preučevanje strukture in notranje dinamike materialov. To krepi idejo, da bi ti procesorji lahko postali nova vrsta znanstveni instrument, uporabno tako v temeljnih raziskavah kot v industrijskih aplikacijah z visokim učinkom, od superprevodnikov do novih zdravil.
Ključni eksperiment: od nevtronskega laboratorija do kvantnega procesorja
Delo je opravil konzorcij vodilnih centrov, vključno z Nacionalni laboratorij Oak Ridge, Univerza Purdue, Univerza v Illinoisu, Urbana-Champaignje Nacionalni laboratorij Los Alamos, Univerza v Tennesseeju in IBM. Projekt je del dejavnosti Center za kvantne znanosti, ki ga podpira ameriško ministrstvo za energijo in spodbuja nove aplikacije kvantne tehnologije pri kompleksnih znanstvenih problemih.
Za testiranje kvantnega procesorja se je ekipa osredotočila na material, ki je dobro znan v fiziki kondenzirane snovi: Magnetni kristal KCuF3Ta spojina se pogosto uporablja kot referenčni sistem, ker so njene magnetne lastnosti dobro opisane in obstajajo številne meritve. sipanje nevtronovZaradi razpoložljivosti strogih eksperimentalnih podatkov je idealen kandidat za preizkus, kako natančno se lahko kvantna simulacija približa realnosti.
Raziskovalci so modelirali spinske interakcije KCuF3 in neposredno primerjal numerične rezultate s krivuljami, dobljenimi v nevtronskih laboratorijih. ujemanje med simulacijami kubitov in laboratorijskimi podatki Strokovnjaki, ki so sodelovali v študiji, pravijo, da je to eno najtesnejših prileganj, kar so jih doslej videli v tovrstnih poskusih.
Ta eksperimentalna validacija je še posebej pomembna za špansko in evropsko znanstveno skupnost, kjer obstajajo veliki objekti, namenjeni tehnikam disperzije, kot je na primer Inštitut Laue-Langevin (v Evropi) ali nevtronske in sinhrotronske vire, ki jih uporabljajo številne raziskovalne skupine v Španiji. Možnost ponovitve nekaterih teh rezultatov v kvantnem procesorju odpira nove možnosti za sodelovanje med pomembne evropske znanstvene infrastrukture in ponudniki kvantne tehnologije.
Kako je bilo to doseženo: hibridni delovni tokovi in manj napak
Ena od točk, ki jih ekipa najbolj poudarja, je, da ta rezultat ne temelji zgolj na večjem številu kubitov, temveč na kombinaciji več boljša strojna oprema in novi algoritmiUporabljeni pristop je opisan kot delovni tok superračunalništvo, osredotočeno na kvantno računalništvokjer si klasični in kvantni viri delo delijo usklajeno.
V praksi so deli problema, ki jih je mogoče učinkovito rešiti s tradicionalnimi procesorji, prepuščeni klasično superračunalništvo, medtem ko je bolj kompleksno kvantno vedenje – kot je dinamika spina v magnetnem materialu – preneseno na univerzalni kvantni procesorTa hibridna arhitektura vam omogoča, da izkoristite prednosti vsake tehnologije in zmanjšate njihove trenutne omejitve.
Po navedbah IBM je bil eden od odločilnih dejavnikov zmanjšanje stopnje napak v vratih z dvema kubitomaTo je ključni parameter za ohranjanje zanesljivosti izračuna. Izboljšanje natančnosti teh operacij je omogočilo izvajanje globljih kvantnih vezij brez šuma, ki bi uničil simulacijo, kar je povzročilo numerične rezultate, ki se ujemajo z laboratorijskimi podatki.
Ekipa je izkoristila tudi napredne tehnike zmanjševanje napak in programirljivost strojne opreme, tako da je bil isti pristop razširjen tudi preko KCuF3 naprej razredi materialov z bolj kompleksnimi interakcijamitudi kvantni tekoči kristaliTo kaže, da to ni osamljen primer, temveč posplošljiva pot za obravnavo drugih magnetnih sistemov tehnološkega interesa.
Za evropski raziskovalni sektor, ki združuje superračunalniška omrežja, kot so EuroHPC Pri programih, ki promovirajo kvantno tehnologijo, se ta vrsta hibridnega delovnega toka dobro ujema s trenutno strategijo: integracijo kvantnih procesorjev kot specializiranih pospeševalnikov znotraj že vzpostavljene infrastrukture, namesto da bi jih predstavili kot popolno zamenjavo za klasične sisteme.
Od temeljne fizike do aplikacij: materiali, energija in zdravje
Pomen poskusa sega daleč preko dokazovanja, da je mogoče reproducirati obnašanje znanega magnetnega kristala. Po mnenju ekipe na Center za kvantne znanostiTehnologija, potrjena v tem delu, neposredno obravnava težave z velikim vplivom v znanost o materialih, kemija in biologijakjer je natančen opis kvantne mehanike ključnega pomena.
Možnost simulacije magnetnih materialov in drugih kompleksnih kvantnih sistemov odpira vrata načrtovanju novi superprevodniki, učinkovitejše baterije, spojine za napredno medicinsko slikanje in ustrezne molekule v razvoj zdravilNa vseh teh področjih se klasične metode pogosto zatekajo k aproksimacijam, da bi premagale kombinatorično eksplozijo problema, kar omejuje natančnost napovedi.
Avtorji študije poudarjajo, da kvantni računalnik ne nadomešča eksperimentalnih naprav, lahko pa postane strateško dopolnilo To omogoča hitrejše raziskovanje potencialnih materialov pred selitvijo v laboratorij. Za evropsko industrijo, ki je močno osredotočena na sektorje, kot so ... obnovljive energijeNe glede na to, ali gre za elektrifikacijo prometa ali biotehnologijo, bi lahko ta orodja skrajšala časovne roke in zmanjšala stroške v procesih raziskav in razvoja.
Poleg tega napredka na področju magnetnih materialov so IBM in njegovi partnerji poročali o drugih nedavnih mejnikih, kot je prva kvantna simulacija polovice Möbiusove molekule —struktura, ki je v naravi ne opazimo — in simulacije beljakovin v velikem obsegu v sodelovanju z vodilnimi zdravstvenimi ustanovami. Ti rezultati krepijo idejo, da kvantno računalništvo začenja obravnavati probleme, ki jih opredeljujejo same znanstvene skupnosti, in ne le izoliranih dokazov načel.
Za Španijo in preostalo Evropo, kjer univerze, raziskovalni centri in tehnološka podjetja že sodelujejo v vseevropskih projektih kvantno računalništvo in superračunalništvoTakšen napredek zagotavlja dodatne argumente za nadaljnje vlaganje v talente, infrastrukturo in javno-zasebno sodelovanje na tem področju.
Nova vloga kvantnih računalnikov v superračunalništvu
Ta poskus je del širšega premika v načinu uporabe kvantnih računalnikov. Namesto da bi poskušali prepustiti vse delo njim, jih začenjajo obravnavati kot specializirani pospeševalniki integrirano v delovne procese superračunalnikov. Ideja spominja na vlogo, ki jo grafični procesorji prevzemajo v svetu umetne inteligence in znanstvene simulacije.
V tem primeru pristop osredotočen na kvantno računalništvo Izrecno je zasnovan tako, da ponuja znanstveno in potencialno komercialno vrednost. Algoritmi, prilagojeni kvantni strojni opremi, so združeni s klasičnimi fazami, ki pripravljajo, obdelujejo in analizirajo podatke, s čimer izkoriščajo oba svetova, ne da bi se pri tem zanašali na tako imenovane kvantni računalniki, odporni na napakeki ostajajo dolgoročni cilj.
Z vidika upravljanja tehnologije v evropskih podjetjih in institucijah se ta hibridni model ujema s strategijami, ki se že obravnavajo na področju superračunalništva: vključitev kvantnih pospeševalnikov kot dodatnega vira v podatkovne centre in ponujanje dostopa prek oblakIBM na primer zagotavlja svoje kvantne procesorje prek platform v oblaku, ki jih že uporabljajo univerze in raziskovalni centri v Španiji in drugih evropskih državah.
Hkrati napredek poudarja, da ključ ni le v številu kubitov, temveč tudi v kakovost strojne opreme in zasnova programske opremeZmanjšanje napak, izboljšanje stabilnosti kubitov in izpopolnjevanje algoritmov, ki jih upravljajo, bodo ključnega pomena za prehod teh simulacij iz specifičnih študij primerov v običajna orodja v oddelkih za raziskave in razvoj sektorjev, kot so avtomobilska, farmacevtska in energetska industrija.
V tem kontekstu bi lahko sodelovanje med velikimi nacionalnimi laboratoriji, univerzami in tehnološkimi podjetji, ki ga vidimo v tem projektu, služilo kot model za podobne pobude v Evropski uniji, kjer že obstaja močna zavezanost združevanju superračunalništvo, umetna inteligenca in kvantne tehnologije v okviru iste strategije.
Rezultat, dosežen z IBM-ovim kvantnim računalnikom natančno simulirajo prave magnetne materiale To pomeni prelomnico v prehodu kvantnega računalništva od konceptualnega dokaza do praktičnega znanstvenega orodja. Z reprodukcijo podatkov nevtronskega sipanja v referenčnem materialu, kot je KCuF3, z uporabo hibridnih delovnih procesov, ki združujejo klasično superračunalništvo in kvantne procesorje, to delo utrjuje idejo, da je mogoče kvantne računalnike kratkoročno in srednjeročno vključiti v procese odkrivanja novih materialov in molekul. Za Evropo in Španijo, kjer obstajajo trdni temelji znanstvene infrastrukture in superračunalniških zmogljivosti, ta napredek odpira scenarij, v katerem lahko sodelovanje s komercialnimi kvantnimi platformami pospeši raziskave na področju energetike, zdravstva in tehnologije materialov, pod pogojem, da se izboljšave strojne opreme, algoritmov in modelov dostopa do oblaka še naprej utrjujejo.