US-Energieministerium und IBM nutzen quantenzentriertes Supercomputing Präzise Simulation realer magnetischer Materialien per Quantencomputer

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Ein Team des vom US-Energieministerium (DOE) geförderten „Quantum Science Center“ belegt, dass Quantencomputer Materialsimulationen ausführen können, von denen viele bisher glaubten, sie lägen jenseits der derzeitigen Möglichkeiten von Quantencomputing. Die dabei geforderte hohe Genauigkeit wird durch quantenzentrierte Supercomputing-Workflows sowie durch reduzierte Hardware-Fehlerraten ermöglicht.

Der IBM-Quantencomputer kann reale magnetische Materialien so simulieren, dass die Resultate mit Neutronenstreu-Experimenten übereinstimmen. Dies markiert einen wichtigen Schritt auf dem Weg, Quantencomputer als verlässliches Werkzeug für die wissenschaftliche Forschung einzusetzen. Denn die Ergebnisse weisen auf quantenzentriertes Supercomputing als neues wissenschaftliches Instrument für die Materialforschung hin – mit langfristigen Auswirkungen unter anderem auf Supraleiter, medizinische Bildgebung, Energie und Arzneimittelentwicklung.

Die in einem Preprint der Cornell University veröffentlichten Ergebnisse basieren auf der Arbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des vom US-Energieministerium geförderten Quantum Science Center. Beteiligt sind neben IBM das Oak Ridge National Laboratory, die Purdue University, die University of Illinois Urbana-Champaign, das Los Alamos National Laboratory und die University of Tennessee.

Erkennen existenter, erfinden neuer Materialien

Die Entwicklung neuer Materialien, etwa leistungsfähigerer Supraleiter, effizienterer Batterien und neuartiger Medikamente, erfordert ein tiefes Verständnis quantenmechanischer Effekte, die mit klassischen Methoden oft nur schwer zu simulieren sind. Zwar gelten Quantencomputer seit Langem als vielversprechender Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung, doch war bislang unklar, ob heutige Prozessoren quantitativ verlässliche Simulationen realer Materialien liefern können.

Die nun vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass aktuelle Quantenhardware in Kombination mit neuen Algorithmen und quantenzentrierten Supercomputing-Workflows bereits heute Materialeigenschaften simulieren kann, die sich mit klassischen Methoden allein nur schwer vorhersagen lassen.

Arnab Banerjee, Assistant Professor für Physik und Astronomie an der Purdue University, kommentiert: „Es gibt enorm viele Neutronenstreudaten zu magnetischen Materialien, die wir aufgrund der Grenzen der approximativen klassischen Methoden nicht vollständig verstehen. Der Einsatz eines Quantencomputers, um diese Simulationen besser zu verstehen und mit experimentellen Daten zu vergleichen, ist seit über einem Jahrzehnt ein Traum von mir. Ich freue mich sehr, dass wir nun erstmals zeigen konnten, dass dies möglich ist.“

Das Experiment

Seit Langem nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Neutronenquellen, um die Quanteneigenschaften von Materialien zu untersuchen, indem sie messen, wie einfallende Neutronen Energie und Impuls mit den Spins im Material austauschen. In dieser Studie konzentrierte sich das Team auf den gut charakterisierten magnetischen Kristall KCuF₃ und verglich Neutronenstreu-Messungen direkt mit Simulationen auf einem Quantencomputer.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation zeigt, dass Quantenprozessoren inzwischen in der Lage sind, zentrale dynamische Eigenschaften realer Materialien abzubilden. Allen Scheie, Festkörperphysiker am Los Alamos National Laboratory, äußert: „Das ist die beeindruckendste Übereinstimmung, die ich bislang zwischen experimentellen Daten und Qubit-Simulationen gesehen habe, und sie setzt die Messlatte deutlich höher für das, was man von Quantencomputern erwarten kann.“

Travis Humble, Director des Quantum Science Center am Oak Ridge National Laboratory, weist auf die Bedeutung über das erfolgreiche Projekt hinaus hin: „Diese Ergebnisse tragen dazu bei, Quantencomputer als verlässliche Rechenwerkzeuge für die Materialsimulation zu etablieren, [...] ein eindrucksvoller Beleg für den Einfluss, den Quantencomputing auf wissenschaftliche Entdeckungsprozesse haben kann.“

Nach Angaben von Abhinav Kandala, Principal Research Scientist bei IBM, verdeutliche die Studie verdeutlicht aber auch, dass Verbesserungen bei Größe und Qualität der Quantenprozessoren entscheidend für die erzielte Simulationsgenauigkeit sind. „Diese Ergebnisse wurden maßgeblich durch die heute erreichbaren Zwei-Qubit-Fehlerraten unserer Quantenprozessoren ermöglicht. Wir erwarten, dass weitere Verbesserungen der Fehlerraten sowie Erweiterungen auf höhere Dimensionen Vorhersagen von Materialeigenschaften ermöglichen werden, die mit klassischen Methoden allein nur schwer zugänglich sind.“

Auf dem Weg ins Quantenzeitalter

Tatsächlich hat das Team bereits den Ansatz bereits über KCuF₃ hinaus erweitert und Materialklassen mit komplexeren Wechselwirkungen simuliert.

Das Experiment ist Teil eines umfassenderen Wandels in der Anwendung von Quantencomputern auf wissenschaftliche Fragestellungen, die von Forschungslaboren definiert werden. Zu den jüngsten Ergebnissen zählen unter anderem die erste Quantensimulation eines bislang unbekannten Halb‑Möbius‑Moleküls sowie eine hochskalierende Proteinsimulation mit der Cleveland Clinic. In Chemie, Materialwissenschaft und Molekularbiologie beginnt die Quantensimulation damit, sich Fragestellungen zu widmen, die für die Wissenschaft von grundlegender Bedeutung sind.

Der Quantencomputer als molekularer Schöpfer

Besonderheit des Quantencomputers erschafft ein bisher unbekanntes Molekül

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