Учёные из нескольких ведущих научных учреждений (Oak Ridge National Laboratory, Purdue University и IBM), впервые применили квантовый компьютер для точного моделирования свойств магнитного материала KCuF3.

Квантовые симуляции проводились на процессоре IBM Quantum Heron, а экспериментальные данные были получены с помощью нейтронного рассеяния на источниках научно-исследовательского комплекса в Ок-Риджской национальной лаборатории (Spallation Neutron Source) и одной из национальных лабораторий Великобритании, Лаборатории Резерфорда — Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory). Исследование стало важным шагом в реализации идеи Ричарда Фейнмана о применении квантовых систем для изучения квантовых материалов.

Материал KCuF3 был выбран из-за хорошо изученных свойств. Нейтронное рассеяние позволяет исследовать динамические и структурные характеристики системы, поскольку 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 крайне 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 применяли алгоритмы, устойчивые к шуму, а также классические вычислительные ресурсы для оптимизации глубины квантовых цепей. Такой подход соответствует концепции квантово-центричного суперкомпьютинга, объединяющего 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.