GCRI · Квантовые технологии
Квантовые технологии и материалы
Quantum technologies depend on materials, from superconducting circuits and semiconductor spin qubits to photonic chips and isotopically pure crystals. In turn, quantum simulation may one day help design new materials and molecules. This page sets out how materials limit quantum devices, how quantum methods could aid materials science, and what evidence serves the researchers and funders working at this intersection.
Как ведётся работа.
Quantum testbed
Quantum and materials · Testbed lab · Device QD-77
Кубиты
| Q0 | 142 | 116 | 0.02 | In spec |
| Q1 | 83 | 48 | 0.01 | In spec |
| Q2 | 69 | 99 | 0.01 | Drifting |
| Q3 | 142 | 21 | 0.05 | Drifting |
| Q4 | 162 | 83 | 0.03 | Drifting |
Device
- Topology
- heavy-hex, illustrative
- 2Q fidelity
- 0.989
- Доступ
- by committee
- Метка
- НАБЛЮДАЕМО
Рис.Quantum testbed: example names and illustrative values, not a record or a live system.
Quantum and materials: how the risk develops.
Chemistry and materials simulation. The dossier below sets out how the risk develops, what is measured, where the data come from, how it is modelled and who decides.
Defects cause decoherence
Impurities, surface defects and two-level системы in materials interact with qubits and shorten coherence. Better materials and fabrication extend it.
Fabrication sets yield
Producing many identical qubits needs precise fabrication. Variability between devices, even from one wafer, limits how far systems can scale.
Some inputs are scarce
Helium-3 for dilution refrigerators, isotopically enriched silicon and specialised lasers have limited suppliers, creating supply risks.
Quantum simulation of matter
Simulating molecules and materials is a leading candidate use of quantum computers, though classical methods remain strong for most problems today.
How quantum and materials is modelled, measured and tested.
Модель, её допущения, данные и неопределённость в том виде, в каком их проверил бы учёный или инженер. Структуры следуют опубликованным методам. Показанные значения являются иллюстративными, а не результатами.
Модель системы
The couplings between the systems in quantum and materials: signs of influence, a reinforcing and a balancing loop, and cross-links where stress jumps.
Quantum devices depend on materials with their own supply risks.
- ЭнергетикаВзаимосвязиCryogenics and fabrication are energy-intensive.What to watchEnergy per device
- БиоразнообразиеВзаимосвязиSome specialised materials come from concentrated mining.What to watchMaterial sourcing
- ЗдравоохранениеВзаимосвязиHelium supply is shared with medical imaging.What to watchHelium supply constraints
Materials studies are designed for the «Стратегические системы». Export controls coordinated through the Wassenaar Arrangement and national lists apply to some quantum items.
- Supply data for specialised materials.
- Export control analyses.
Что измеряется и насколько хорошо.
Каждый показатель указывает свою единицу, периодичность, тип источника и метку доказательной базы, которую несло бы значение. Значения не показываются: программа предоставляет их под собственную ответственность.
| Индикатор | Единица | Периодичность | Тип источника | Метка |
|---|---|---|---|---|
| Qubit coherence time by material platform | microseconds | per publication | Peer-reviewed results | НАБЛЮДАЕМО |
| Device yield in fabrication | percent of functional qubits | per fabrication run | Foundry and lab reports | СООБЩЕНО |
| Helium-3 supply | litres per year | ежегодно | Government and industry reports | ОЦЕНЕНО |
| Quantum chemistry demonstrations with classical comparison | количество | на каждое рецензирование | Literature review | ОЦЕНЕНО |
| Specialised component suppliers | count by component | на каждую оценку | Supply chain studies | ОЦЕНЕНО |
| Materials databases used for qubit research | количество | на каждую оценку | Research surveys | СООБЩЕНО |
Откуда берётся доказательная база.
Названные публичные наборы данных и институциональные записи, каждый со своим классом лицензии. Источники по соглашению используются только на их условиях и никогда не публикуются повторно.
| Источник | Что он даёт | Класс лицензии |
|---|---|---|
| Peer-reviewed materials and device literature | Coherence and fabrication results | Licence per article |
| Materials Project and other open materials databases | Computed materials properties | Открыто, CC BY 4.0 |
| Government reports on helium-3 and critical inputs | Supply and demand of scarce inputs | Public, terms per government |
| Quantum supply chain studies | Component suppliers and dependencies | Licence per publication (to check) |
| Benchmark studies of quantum chemistry algorithms | Comparisons with classical methods | Licence per publication |
Кто принимает решения и чему служит доказательная база.
Quantum Technologies prepares evidence. The decisions below are taken by the authorities named, under their own rules, and never by the platform.
| Кто принимает решение | Вопрос | Доказательная база, которую обслуживает эта страница |
|---|---|---|
| Организации, финансирующие исследования | Which materials and fabrication research to support | Bottleneck reviews |
| Industry and national лаборатории | How to secure specialised inputs | Supply risk assessments |
| Chemistry and materials researchers | Where quantum simulation could help their work | Use case assessments |
Результаты, которые даёт эта тема
- Materials bottleneck reviews for qubit platforms
- Supply risk assessments for specialised inputs
- Assessments of quantum simulation use cases with classical baselines
- Evidence notes for research funders
Что спрашивают эксперты.
The question is whether quantum simulation will beat improving classical methods on problems that matter.
- Which chemical and materials problems are genuinely hard for classical methods?
- How large and how error-free must a quantum computer be to simulate them usefully?
- Can near-term noisy devices provide any useful result, or is error correction required?
- How will results be verified when classical methods cannot reproduce them?
- Which industrial and scientific questions would change if simulation improved?
Механизмы и движущие факторы.
The behaviour of molecules and materials depends on how electrons interact. For many системы, classical approximations such as density functional theory work well. For strongly correlated systems, such as some catalysts, transition-metal complexes and high-temperature superconductors, the computational cost of exact classical simulation grows very rapidly with system size. A quantum computer represents quantum states natively and could, in principle, simulate such systems efficiently.
Resource estimates for industrially relevant problems suggest that large, error-corrected machines would be required. Meanwhile classical methods, including tensor networks and machine-learning approaches, keep improving and raising the bar. Quantum materials research also runs the other way: new materials are needed to build better qubits.
Как это изучается и где пределы методов.
| Метод или данные | Что он показывает | Ограничения |
|---|---|---|
| Classical computational chemistry | Accurate results for many системы | Cost grows quickly for strongly correlated electrons |
| Quantum algorithm resource estimation | Qubits and operations needed for target problems | Highly sensitive to algorithm and hardware assumptions |
| Small-scale quantum simulation experiments | Proof of principle on simple molecules | Not yet beyond classical reach for useful problems |
| Experimental materials characterisation | Ground truth for validation | Experiments are costly and not always available |
Как это изучается и чего методы не могут сказать.
- 01Материаловедение и химияМатериалы для увеличения времени когерентности · Вариабельность изготовления · Сценарии применения квантовой химииПрименяется здесь
- 02Физика и квантовая наукаХарактеристика шумов кубитов · Метрология квантовых часов · Проверка квантовых эффектовПрименяется здесь
- 03Квантовые вычисления, измерения и связьСопоставимое эталонное тестирование · Оценка уровня готовности технологий · Отслеживание последствий для безопасностиПрименяется здесь
Where this page’s references lead.
Органы и документы, с которыми сопоставляется эта страница. Статусы и редакции меняются; каждая ссылка ведёт к выпускающему органу.
Вопросы и ответы.
Why do materials matter for qubits?
What is quantum simulation?
Are there supply risks for quantum technology?
Has a quantum computer already designed a new material or drug?
Why is chemistry a natural application?
Should organisations wait for quantum simulation?
Поделитесь доказательствами с этой страницы.
Отчёты is the Consortium’s quarterly publication. What you know about this subject can become evidence, a case or a correction in the next edition, credited to you and published under CC BY 4.0 where it is your own work.
- Электронная почтаШлюз GW-GCRIОтправьте с этой страницыДоказательная база, исправление, случай, метод, рецензия, перевод или вклад в профиль. Материал приходит с пометкой этой страницы, поэтому его получает редактор, отвечающий за неё.
- ZenodoОткрытый депозитДепонируйте и подайте в сообществоОпубликуйте собственную запись на Zenodo со своим идентификатором ORCID iD, затем подайте её в сообщество Reports. Кураторы проверяют её; DOI остаётся за вами.
- ОтчётыGCRIВсе способы внести вкладВиды вклада, порядок рецензирования каждого из них, указание авторства, лицензия и то, что никогда не принимается.
Никогда не отправляйте персональные данные, сведения о чувствительной инфраструктуре или то, чем вы не вправе делиться. Материал проходит рассмотрение перед использованием; его отправка не дает авторских или редакционных прав, а спонсорство никогда не покупает выводы.
Предложите метод, набор данных или вопрос.
Информация и запросы открыты уже сегодня. Запрос получает номер и указывает следующий шаг; заявки, платежи, выделение вычислительных ресурсов и регистрации открываются только тогда, когда существуют их команда, условия и возможности для проверки.
Юридические документы.
Карты, данные и рисунки на этом сайте приводятся для контекста и общей информации. Они не являются советом, прогнозом или предупреждением; ограничения информации изложены в Оговорках и уведомлениях о данных.