Передовой вычислительный инструмент для понимания квантовых материалов

Прочитано: 124 раз(а)


Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Модены и Реджо-Эмилии разработали новый вычислительный инструмент для описания того, как атомы в квантовых материалах ведут себя, когда они поглощают и излучают свет.

Инструмент будет выпущен как часть пакета программного обеспечения с открытым исходным кодом WEST, разработанного в Интегрированном центре вычислительных материалов Среднего Запада (MICCoM) командой под руководством профессора Марко Говони. Он помогает ученым лучше понимать и разрабатывать новые материалы для квантовых технологий.

«То, что мы сделали, — это расширили возможности ученых изучать эти материалы для квантовых технологий», — сказала Джулия Галли, профессор молекулярной инженерии семьи Лью и старший автор статьи, опубликованной в Журнале химической теории и вычислений . «Теперь мы можем изучать системы и свойства, которые раньше были недоступны в больших масштабах».

Группа Галли продемонстрировала точность инструмента, известного как WEST-TDDFT (Без пустых состояний — теория функционала плотности, зависящая от времени), при изучении трех различных материалов на основе полупроводников, но заявила, что его можно применять к широкому спектру родственных материалов и Разработанное программное обеспечение может масштабироваться на нескольких высокопроизводительных архитектурах.

Строительные блоки квантовой информации

Фундаментальными единицами информации, лежащими в основе новых мощных квантовых технологий, являются кубиты. В отличие от битов, используемых в классических вычислениях, которые используют только 0 и 1 для кодирования данных, кубиты также могут существовать в состояниях суперпозиции, представляя одновременно 0 и 1.

Миниатюрные дефекты внутри материалов, такие как отсутствующий или замещенный атом в структурированной решетке кристалла, могут приобретать квантовые состояния и использоваться в качестве кубитов. Эти кубиты чрезвычайно чувствительны к электрическим, оптическим и магнитным свойствам окружающей среды, что позволяет использовать их в качестве датчиков.

Понимание того, как именно эти « точечные дефекты » взаимодействуют с фотонами света, изменяя их энергетические состояния, может позволить исследователям лучше манипулировать ими или разрабатывать материалы, использующие кубиты в качестве датчиков или единиц хранения данных.

«То, как эти материалы поглощают и излучают свет, имеет решающее значение для понимания того, как они функционируют в квантовых приложениях», — сказал Галли. «Свет — это то, как вы допрашиваете эти материалы».

До сих пор исследователи могли предсказать как поглощение, так и излучение света точечными дефектами, но не могли полностью объяснить некоторые атомные процессы, происходящие внутри материала, пока он находится в его возбужденном состоянии , особенно в случае больших и сложных систем.

Оптимизация сложных вычислений

Квантово-механические уравнения, которые необходимо решить для определения атомных свойств материалов, невероятно сложны и требуют больших вычислительных мощностей. В новой работе команда Галли закодировала новый способ решения таких уравнений, более эффективный, чем раньше, и при этом доказала, что они по-прежнему точны.

Повышенная скорость и эффективность решения уравнений теперь означают, что их можно легче применять к более крупным системам — в прошлом время вычислений и мощность, необходимые для анализа этих систем, делали это невозможным.

«С помощью этих методов мы можем изучать взаимодействие света с материалами в довольно больших системах, а это означает, что эти системы ближе к экспериментальным системам, которые фактически используются в лаборатории», — сказал аспирант Ю Цзинь, первый автор исследования. новая бумага.

Эффективный подход, разработанный командой, может работать на двух разных компьютерных архитектурах — центральных процессорах (ЦП) и графических процессорах (ГП). Исследователи использовали его для изучения свойств возбужденного состояния точечных дефектов в трех материалах: алмазе, карбиде кремния 4H и оксиде магния. Они обнаружили, что инструмент может эффективно рассчитывать свойства этих систем, даже если они состоят из сотен или тысяч атомов.

Более широкая цель

В команду MICCoM, разрабатывающую WEST, входят доктор Виктор Ю, Ю Джин и профессор Марко Говони. Группа продолжает применять и совершенствовать алгоритмы, доступные в пакете, включая WEST-TDDFT, для изучения широких классов материалов не только для квантовых технологий , но также для приложений с низким энергопотреблением и энергетикой.

«Мы нашли способ более эффективно решать уравнения, описывающие излучение и поглощение света, чтобы их можно было применить к реальным системам», — сказал Говони. «Мы показали, что этот метод эффективен и точен».

Новый инструмент соответствует более широкой цели лаборатории Галли по изучению и разработке новых квантовых материалов . Кроме того, в этом месяце они опубликовали новые результаты, показывающие, как спиновые дефекты вблизи поверхности материала ведут себя иначе, чем дефекты, расположенные глубже внутри материала, в зависимости от того, как заканчивается поверхность. Их результаты имеют значение для разработки квантовых датчиков, основанных на спиновых дефектах.

Команда также опубликовала недавнюю статью, опубликованную в журнале npj Computational Materials , в которой исследуются свойства сегнетоэлектрических материалов , используемых в нейроморфных вычислениях.

Передовой вычислительный инструмент для понимания квантовых материалов



Новости партнеров