Quantum Simulation: A New Era for Materials Science

量子模拟:材料科学的新时代

基本信息

  • 批准号:
    10107055
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 162.34万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Small Business Research Initiative
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2024 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Classical computational chemistry methods such as density functional theory (DFT) and Hartree-Fock (HF) have become ubiquitous in materials research and design, reducing the reliance on costly and time-consuming empirical studies. However, the accuracy of these methods varies greatly, and almost all are known to fail spectacularly in systems with strong electron correlation. Quantum computing presents a new paradigm for chemical simulations, with a potential polynomial speedup compared to the highest accuracy classical ab initio method. The exponential quantum speedup will permit highly accurate calculations to be accessible for strongly correlated materials using future, fault-tolerant quantum processors -- changing the trajectory of materials science and discovery.This project, "Quantum Simulations: A New Era for Materials Science", will develop a quantum-classical computational workflow for simulating the properties and reaction chemistry of strongly correlated materials, including actinides, lanthanides and transition metals. We will utilise the Quantinuum computational chemistry software platform InQuanto and a proprietary implementation of Quantum Phase Estimation (QPE) to develop and prototype a quantum workflow. The workflow will be tested using a range of actinide oxide reactions selected from Phase 1 of the project, in which the most accurate classical computational chemistry methods were shown to be intractable for these materials. The workflow developed during Phase 2 will enable the first demonstration of quantum computing algorithms for studying the chemistry of actinide compounds and will be executed on the Quantinuum H-series quantum emulators and processors, to enable end-to-end testing and to provide data on scalability and resource requirements for large scale fault-tolerant simulations.The simulations workflow developed in this project will subsequently be expanded into a complete quantum software module and integrated into the Quantinuum InQuanto computational chemistry platform, available to the 2500+ commercial, governmental and academic organisations within Quantinuum's software network. The utilisation and development of cutting-edge quantum hardware and software, uniquely position this initiative at the forefront of quantum-enabled materials science, with the potential to profoundly impact energy, medicine, nuclear safety and waste management, and national security and defence.The novelty, impact and broad applicability of this work is widely recognised by Government and commercial entities including; The Nuclear Decommissioning Agency, The National Nuclear Laboratory, The Dalton Nuclear Laboratory and Dassault Systèmes all of whom, have shared their written support for this project.
密度泛函理论(DFT)和Hartree-Fock(HF)等经典计算化学方法已在材料研究和设计中普遍存在,减少了对昂贵且耗时的实证研究的依赖,但这些方法的准确性大大降低。众所周知,几乎所有的方法在具有强电子相关性的系统中都会严重失败。 量子计算为化学模拟提供了一种新的范式,与最高精度的经典从头计算方法相比,具有潜在的多项式加速。指数量子加速将允许高精度。使用未来的容错量子处理器可以对强相关材料进行计算——改变材料科学和发现的轨迹。这个项目“量子模拟:材料科学的新时代”将开发一个量子经典计算工作流程我们将利用 Quantinuum 计算化学软件平台 InQuanto 和量子相位估计的专有实现来模拟强相关材料(包括锕系元素、镧系元素和过渡金属)的性质和反应化学。 (QPE)开发和原型化量子工作流程将使用从该项目第一阶段中选择的一系列锕系氧化物反应进行测试,其中最准确的经典计算化学方法被证明对于这些材料工作流程来说是棘手的。第二阶段开发的项目将首次演示用于研究锕系化合物化学的量子计算算法,并将在 Quantinuum H 系列量子模拟器和处理器上执行,以实现端到端测试并提供有关大规模容错模拟的可扩展性和资源需求。该项目中开发的模拟工作流程随后将扩展为完整的量子软件模块,并集成到 Quantinuum InQuanto 计算化学平台中,可供 2500 多个商业、政府和学术组织使用在 Quantinuum 的软件网络中,尖端量子硬件和软件的利用和开发使该计划处于量子材料科学的前沿,具有对能源产生深远影响的潜力。这项工作的新颖性、影响力和广泛适用性得到了政府和商业实体的广泛认可,包括核退役机构、国家核实验室、道尔顿核实验室和达索公司Systèmes 所有人都分享了对该项目的书面支持。

项目成果

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专著数量(0)
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会议论文数量(0)
专利数量(0)

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