یک ابزار محاسباتی پیشرفته برای درک مواد کوانتومی

محققان دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر (PME) دانشگاه شیکاگو، آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه مودنا و رجیو امیلیا ابزار محاسباتی جدیدی برای توصیف نحوه رفتار اتم‌های مواد کوانتومی هنگام جذب و گسیل نور ایجاد کرده‌اند.

این ابزار به عنوان بخشی از مجموعه نرم افزار متن باز WEST منتشر خواهد شد که در مرکز یکپارچه مواد محاسباتی Midwest (MICCoM) توسط تیمی به سرپرستی پروفسور Marco Govoni توسعه یافته است و به دانشمندان کمک می کند تا مواد جدید را در زمینه فناوری کوانتومی بهتر درک و طراحی کنند.

جولیا گالی، پروفسور مهندسی مولکولی خانواده لیو و نویسنده ارشد این گزارش گفت: «کاری که ما انجام داده‌ایم افزایش توانایی دانشمندان برای مطالعه این مواد برای فناوری‌های کوانتومی است. منتشر شده که در مجله تئوری و محاسبات شیمی. اکنون می‌توانیم سیستم‌ها و ویژگی‌هایی را مطالعه کنیم که واقعاً در گذشته در مقیاس بزرگ در دسترس نبوده‌اند.

گروه گالی دقت ابزار معروف به WEST-TDDFT (بدون حالت‌های خالی-نظریه تابعی چگالی وابسته به زمان) را در مطالعه سه ماده مختلف مبتنی بر نیمه‌رسانا نشان داد، اما گفت که می‌توان آن را برای طیف وسیعی از مواد مرتبط و مرتبط به کار برد. نرم افزار توسعه یافته می تواند در مقیاس بر روی چندین معماری با کارایی بالا اجرا شود.

بلوک های سازنده اطلاعات کوانتومی

واحدهای بنیادی اطلاعاتی که زیربنای فناوری‌های کوانتومی جدید و قدرتمند هستند، کیوبیت‌ها هستند. بر خلاف بیت‌های مورد استفاده در محاسبات کلاسیک، که فقط از 0 و 1 برای رمزگذاری داده‌ها استفاده می‌کنند، کیوبیت‌ها می‌توانند در حالت‌های برهم نهی نیز وجود داشته باشند که همزمان 0 و 1 را نشان می‌دهند.

نقص های کوچک در مواد – مانند اتم مفقود یا جایگزین شده در شبکه ساختاریافته یک بلور – می تواند حالت های کوانتومی به خود بگیرد و به عنوان کیوبیت استفاده شود. این کیوبیت ها به خواص الکتریکی، نوری و مغناطیسی محیط اطراف خود بسیار حساس هستند و به آنها امکان استفاده به عنوان حسگر را می دهند.

درک اینکه دقیقا چگونه اینهاعیوب نقطه ایتعامل با فوتون‌های نور برای تغییر حالت‌های انرژی می‌تواند به محققان این امکان را بدهد که بهتر آنها را دستکاری کنند یا موادی را طراحی کنند که از کیوبیت‌ها به عنوان حسگر یا واحد ذخیره‌سازی داده استفاده می‌کنند.

گالی گفت: «چگونه این مواد نور را جذب و ساطع می کنند برای درک نحوه عملکرد آنها برای کاربردهای کوانتومی بسیار مهم است. “نور نحوه بازجویی شما از این مواد است.”

تا کنون، محققان می‌توانستند هم جذب و هم گسیل نور از عیوب نقطه‌ای را پیش‌بینی کنند، اما نمی‌توانستند برخی از فرآیندهای اتمی را که در این ماده رخ می‌دهد، به طور کامل توضیح دهند. حالت هیجانیبه خصوص در مورد بزرگ و سیستم های پیچیده.

ساده کردن محاسبات پیچیده

معادلات مکانیکی کوانتومی که باید برای تعیین خواص اتمی مواد حل شوند، بسیار پیچیده هستند و به مقدار زیادی قدرت محاسباتی نیاز دارند. در کار جدید، تیم گالی روش جدیدی را برای حل موثرتر این معادلات نسبت به گذشته کدگذاری کرد و در عین حال ثابت کرد که هنوز دقیق هستند.

افزایش سرعت و کارایی که اکنون می توان معادلات را حل کرد به این معنی است که می توان آنها را به راحتی در سیستم های بزرگتر اعمال کرد – در گذشته زمان محاسباتی و توان مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل این سیستم ها آن را غیرممکن می کرد.

دانشجوی یو جین، نویسنده اول کتاب جدید، گفت: با این روش‌ها، می‌توانیم برهمکنش نور با مواد را در سیستم‌هایی که بسیار بزرگ هستند مطالعه کنیم، به این معنی که این سیستم‌ها به سیستم‌های آزمایشی که واقعاً در آزمایشگاه استفاده می‌شوند نزدیک‌تر هستند. کاغذ.

رویکرد کارآمد توسعه‌یافته توسط این تیم می‌تواند بر روی دو معماری مختلف رایانه اجرا شود – واحدهای پردازش مرکزی (CPU) و واحدهای پردازش گرافیکی (GPU). محققان از آن برای مطالعه خواص حالت برانگیخته عیوب نقطه ای در سه ماده استفاده کردند: الماس، کاربید سیلیکون 4H و اکسید منیزیم. آنها دریافتند که این ابزار می تواند خواص این سیستم ها را حتی زمانی که صدها یا هزاران اتم داشته باشند، به طور موثر محاسبه کند.

هدف گسترده تر

تیم MICoM در حال توسعه WEST شامل دکتر ویکتور یو، یو جین و پروفسور مارکو گوونی است. این گروه همچنان به اعمال و اصلاح الگوریتم های موجود در مجموعه، از جمله WEST-TDDFT، برای مطالعه کلاس های گسترده ای از مواد، نه تنها برای فناوری های کوانتومی بلکه برای کاربردهای کم توان و انرژی.

گوونی گفت: “ما راهی برای حل موثرتر معادلات تشریح کننده انتشار و جذب نور پیدا کردیم تا بتوان آنها را در سیستم های واقع گرایانه اعمال کرد.” ما نشان دادیم که این روش هم کارآمد و هم دقیق است.»

ابزار جدید با هدف گسترده‌تر آزمایشگاه گالی برای مطالعه و طراحی جدید مطابقت دارد مواد کوانتومی. همچنین، در این ماه آنها نتایج جدیدی را منتشر کردند که نشان می دهد چگونه عیوب چرخش در نزدیکی سطح یک ماده رفتار متفاوتی دارند نسبت به آنهایی که عمیق تر در مواد هستند، بسته به نحوه تکمیل سطح. نتایج آنها پیامدهایی برای طراحی حسگرهای کوانتومی دارد که بر نقص اسپین تکیه دارند.

این تیم همچنین مقاله ای اخیراً منتشر کرده است مواد محاسباتی npj، بررسی خواص مواد فروالکتریک در محاسبات نورومورفیک استفاده می شود.