碳化硅晶体原子结构   图片来源：University of Chicago

量子计算机在使用新算法进行计算方面有巨大的潜力，涉及的数据量远远超过当今超级计算机的能力。但目前它们仍处于初级阶段，在解决材料学和化学的复杂问题上的适用性有限。例如，它们只能模拟材料研究中几个原子的性质。

近日，美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的科学家开发了一种方法，为使用量子计算机模拟真实分子和复杂材料铺平了道路。相关论文近日刊登于《npj计算材料学》。

“我们新开发的计算方法，极大地提高了现有量子力学方法对晶体材料特定缺陷的计算精度，我们已经在量子计算机上实现了它。”该研究负责人、贡国家实验室的Giulia Galli说。

在过去的30年里，量子力学理论方法在预测与量子 和能源应用相关的功能材料的性能方面发挥了重要作用，包括催化剂和储能系统。然而，这些方法对计算要求很高，而且将其应用于复杂的、非均匀的材料仍然具有挑战性。

该团队首先在一台传统计算机上测试了其开发的量子嵌入方法，并将其应用于计算金刚石和碳化硅自旋缺陷的性质。过去，研究人员已经广泛研究了金刚石和碳化硅的缺陷，所以他们有大量的实验数据与预测进行比较。这帮助团队验证了其方法的可靠性。

然后，该团队继续在量子模拟器上测试了同样的计算，最后在IBM Q5 Yorktown量子计算机上进行了测试，结果证实了该量子嵌入方法的高精度和有效性，为在量子计算机上解决多种材料科学问题奠定了基础。

“随着量子计算机的成熟，我们希望该方法将适用于模拟分子和材料感兴趣的区域，以了解和发现催化剂和新药，以及包含复杂溶解物种的水溶液。”Galli说。

相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1038/s41524-020-00353-z