量子计算机具有使用新颖算法进行计算的巨大潜力，并且涉及的数据量远远超出了当今超级计算机的能力。虽然已经建造了这种计算机，但是它们仍处于起步阶段，并且在解决材料科学和化学领域的复杂问题方面具有有限的适用性。例如，它们仅允许模拟几个原子的性质以用于材料研究。

美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室和芝加哥大学(UChicago)的科学家们开发了一种方法，为使用量子计算机模拟逼真的分子和复杂材料铺平了道路，这种方法需要数百个原子。

该研究团队由美国中西部计算材料综合中心(MICCoM)主任，阿贡材料科学部门的组长和阿贡分子工程中心的成员朱利亚·加利(Giulia Galli)领导。Galli还是Pritzker分子工程学院的Liew Family电子结构和模拟教授，也是UChicago的化学教授。她与助理科学家Marco Govoni和研究生He Ma一起从事了这个项目，这两个人都是Argonne材料科学部门和UChicago的一部分。

加利说：“我们新开发的计算方法极大地提高了现有的量子力学方法在计算晶体材料中特定缺陷方面所能达到的精度，我们已经在量子计算机上实现了该方法。”

在过去的三十年中，量子力学理论方法在预测与量子信息科学相关的材料和用于能源应用的功能材料(包括催化剂和能量存储系统)的性能方面发挥了重要作用。但是，这些方法在计算上要求很高，并且将它们应用于复杂的异构材料仍然具有挑战性。

Govoni说：“在我们的研究中，我们开发了一种量子嵌入理论，该理论允许通过耦合量子和经典计算硬件来模拟固体中的'自旋缺陷'。”固体中的这些类型的缺陷适用于远远超出当前能力的量子信息处理和纳米传感应用材料的开发。

Govoni补充说：“在计算材料科学领域，我们的方法是一种强大的前瞻性策略，具有比目前最先进的当前方法更准确地预测复杂材料的特性的潜力。”

该团队首先在经典计算机上测试了量子嵌入方法，并将其应用于金刚石和碳化硅中自旋缺陷性质的计算。“过去的研究人员已经广泛研究了金刚石和碳化硅中的缺陷，因此我们拥有丰富的实验数据，可以与我们的方法的预测结果进行比较，”马说。理论与实验之间的良好一致性使团队对其方法的可靠性充满信心。

然后，团队继续在量子模拟器上测试相同的计算，最后在IBM Q5 Yorktown量子计算机上进行测试。结果证实了其量子嵌入方法的高精度和有效性，为解决量子计算机上许多不同种类的材料科学问题奠定了基础。

Galli指出：“随着量子计算机不可避免的成熟，我们希望我们的方法将适用于分子和材料中感兴趣区域的模拟，以了解和发现催化剂和新药以及含有复杂溶解物的水溶液。种类。”

Galli的团队是MICCoM的一部分，MICCoM的总部位于阿贡(Argonne);总部位于芝加哥的芝加哥量子交易所;以及由空军科研办公室资助的QISpin项目。

他们的研究利用了MICCoM内部开发的WEST软件，并使用了除公共可用的IBM量子计算机之外的多种计算资源：美国能源部科学用户设施办公室Argonne Leadership计算设施和国家能源研究科学计算中心;和芝加哥大学研究计算中心。

该团队的工作在题为“近期量子计算机上的材料的量子模拟”的文章中进行介绍，该文章发表在2020年7月的npj计算材料杂志上。该研究得到了美国能源部科学办公室和空军科学研究办公室的支持。