Передовой вычислительный инструмент для понимания квантовых материалов

Новости сегодня - Передовой вычислительный инструмент для понимания квантовых материалов

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

Понравилась новость - поделитесь с Друзьями!

Новости партнеров:

Рубрика: IT, Наука, Новости

Вам могло бы понравиться:

Открыли ключ к разгадке стабильности Вселенной Открыли ключ к разгадке стабильности Вселенной
Талантливых детей с ограничениями по здоровью ждет Интеллектуальный марафон Талантливых детей с ограничениями по здоровью ждет Интеллектуальный марафон
Обнаружена новая сверхновая типа Ia Обнаружена новая сверхновая типа Ia
НИЯУ МИФИ наградит лучших учителей физики НИЯУ МИФИ наградит лучших учителей физики

Оставить комментарий

Вы должны Войти, чтобы оставить комментарий.

©2015 - 2024 Актуальные Новости Сегодня. Все права защищены.
При копировании материалов активная гиперссылка на этот сайт ОБЯЗАТЕЛЬНА!