Es ist ein Gesamtprodukt und kein verbesserter Teilprozess, was das Projekt-Team von ALQU zusammen mit HQS in einem neuen Paper präsentiert: “Quantum Simulation of Magnetic Materials: from Ab-Initio to NISQ” zeigt, wie mit Knowhow aus der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) alle Arbeitsschritte entwickelt wurden: von der ab-initio Elektronenstrukturberechnung von zweidimensionalen Magneten und Modellierung bis hin zur Simulation auf echten Quantencomputern. Damit demonstrieren sie eine physikalisch sinnvolle Simulation für reale, potenziell industrierelevante Materialien.
Ein Workflow für verbesserte Studien
Die Forscher:innen illustrieren in dem Paper, wie sie ein effektives Spinmodell aus First-Principles-Berechnungen abgeleitet haben und verwenden es, um niederenergetische magnetische Anregungen auf Quantenhardware zu simulieren.
Sie erreichen dabei Systeme mit bis zu 48 Spins. In diesem Bereich werden klassische Simulationen immer anspruchsvoller. In unserem Auftrag hat unser Industriepartner HQS GmbH mit uns zusammen daraus einen kohärenten Arbeitsablauf entwickelt, der auch darauf ausgelegt ist, Studien an realen Materialen für Quanten-Bauelemente in naher Zukunft systematischer und reproduzierbarer zu machen. Simuliert wurde der Prozess auf IQM-Quantencomputern mit Zugriff per Cloud. Perspektivisch soll solch ein Workflow auch auf DLR QCI-Hardware dargestellt werden.
Nachweis von Quantum Utility dank deutscher Forschung
Das Paper ist nicht nur das Produkt einer erfolgreichen Teamarbeit, sondern zeigt auch, dass Deutschland als Standort das nötige Knowhow und die Technik für Quantencomputing vereint, um international wirksame Impulse zu setzen. Quantencomputing wird auf realistische Materialien mit potenzieller Industrierelevanz angewendet. Der von ALQU und HQS hiermit erstmalig demonstrierte End-to-End-Workflow ist ein Nachweis für Quantum Utility, mit der Einschränkung, dass er auf fehlerbehafteter gegenwärtig zur Verfügung stehender Hardware ausgeführt wurde.
Auf der Softwareseite kombiniert der Arbeitsablauf Open-Source-Software und von HQS entwickelte Tools: PySCF und Active Space Finder für die Phase der elektronischen Struktur und des aktiven Raums, HQS Spin Mapper für die Vorverarbeitung des resultierenden Spinmodells und HQS Quantum Solver für das klassische Krylov-basierte Benchmarking, ergänzt durch DMRG-Referenzrechnungen. Zusammen bilden diese Komponenten das rechnerische Rückgrat des in diesem Papier erstmals vorgestellten End-to-End-Ansatzes.
