Исследователи из ряда ведущих научных учреждений, включая Oak Ridge National Laboratory, Purdue University и IBM, впервые применили квантовый компьютер для точного моделирования свойств магнитного материала KCuF3. Квантовые симуляции были выполнены на процессоре IBM Quantum Heron, а экспериментальные данные получены с помощью нейтронного рассеяния на установках научно-исследовательского комплекса в Ок-Риджской национальной лаборатории (Spallation Neutron Source) и в одной из национальных лабораторий Великобритании, Лаборатории Резерфорда — Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory). Это исследование стало важным шагом в реализации идеи Ричарда Фейнмана о применении квантовых систем для изучения квантовых материалов. Материал KCuF3 был выбран благодаря своим хорошо изученным свойствам. Нейтронное рассеяние позволяет исследовать динамические и структурные характеристики системы, так как нейтроны слабо взаимодействуют с ней, не нарушая её состояния.
Классические методы моделирования сталкиваются с трудностями при описании динамики большого числа запутанных спинов, что делает задачу чрезвычайно сложной. Квантовые компьютеры, благодаря своей способности работать с квантовыми состояниями, открывают новые возможности для моделирования. В данном исследовании учёные использовали квантовые цепи для симуляции взаимодействий спинов в материале. Ключевым достижением стало использование 50 кубитов с низким уровнем ошибок, что обеспечило высокую точность симуляции. Дополнительно применялись алгоритмы, устойчивые к шуму, а также классические вычислительные ресурсы для оптимизации глубины квантовых цепей.
Такой подход соответствует концепции квантово-центричного суперкомпьютинга, который объединяет высокопроизводительные вычисления и квантовые ресурсы. Результаты исследования показали, что квантовые компьютеры могут быть полезны для изучения не только спиновых гамильтонианов, но и более сложных моделей, связанных с квантовыми материалами. Это открывает перспективы для их применения при разработке новых материалов.
В будущем учёные планируют использовать квантовые симуляции для систем с более высокой размерностью и сложностью, чем KCuF3. Руководитель исследовательской группы Арнаб Банерджи выразил уверенность, что дальнейшие исследования создадут обратную связь между экспериментами и симуляциями, улучшат модели и ускорят разработку новых материалов.