Квантовые компьютеры и другие передовые квантовые технологии зависят от специализированных квантовых материалов, которые ведут себя необычным образом при определенных условиях. Яркий пример — укладка слоев графена с последующим скручиванием в муаровый узор: при скручивании двух слоев под «магическим углом» около 1,1° образуется муаровая решетка с увеличенным расстоянием между атомами. Это резко замедляет электроны, заставляя их сильно взаимодействовать друг с другом, что приводит к образованию куперовских пар и превращает материал в сверхпроводник. Исследователи могут создавать еще более сложные структуры, включая квазикристаллы и супер-муаровые материалы, но предсказать их поведение чрезвычайно трудно: для моделирования квазикристаллов может потребоваться более квадриллиона чисел, что намного превышает возможности даже самых мощных современных суперкомпьютеров.
Ученые из Университета Аалто разработали квантово-вдохновленный алгоритм, способный обрабатывать эти гигантские непериодические квантовые материалы практически мгновенно. Как объясняет доцент Хосе Ладо, это открытие демонстрирует продуктивный цикл обратной связи внутри самой квантовой технологии: «Эти новые квантовые алгоритмы могут позволить разрабатывать новые квантовые материалы для создания новых парадигм квантовых компьютеров, создавая продуктивный двусторонний цикл».
Вместо того чтобы пытаться напрямую рассчитать полную структуру материала, команда переформулировала задачу, используя методы, подобные тем, что применяют квантовые компьютеры. Исследователи применили семейство алгоритмов, известных как тензорные сети, чтобы вычислить квазикристалл с более чем 268 миллионами узлов. «Наш алгоритм показывает, как колоссальные проблемы в квантовых материалах могут быть решены с экспоненциальным ускорением», — отмечает докторант Тиагу Антан.
Этот прорыв может в перспективе поддержать развитие электроники без рассеивания энергии, которая проводит электричество без потерь. Такие системы способны снизить растущие потребности в тепловом отведении и энергии для центров обработки данных, работающих на основе искусственного интеллекта. Исследователи сосредоточились на топологических квазикристаллах — необычных материалах, содержащих нетрадиционные квантовые возбуждения, которые защищают электрическую проводимость от помех. Важно отметить, что работа ученых напрямую связана с разработкой топологических кубитов — в отличие от обычных кубитов, которые хранят информацию в отдельных квантовых состояниях и крайне чувствительны к шуму, топологические кубиты кодируют информацию в коллективных свойствах системы, что делает их врожденно устойчивыми к ошибкам и снижает потребность в громоздких схемах коррекции.
На данном этапе работа остается теоретической и была выполнена с помощью моделирования, но ученые уже видят перспективы экспериментального тестирования и практического применения. По словам Ладо, алгоритм может быть адаптирован для работы на реальных квантовых компьютерах, когда оборудование достигнет необходимого масштаба и точности. В частности, новый AaltoQ20 и Финская инфраструктура квантовых вычислений могут сыграть значительную роль в будущих демонстрациях.
Исследование сводит вместе два основных направления финских квантовых разработок: квантовые материалы и квантовые алгоритмы. Оно является частью гранта ULTRATWISTROICS Европейского научного совета (ERC), посвященного созданию топологических кубитов с использованием материалов Ван-дер-Ваальса, а также Центра передового опыта в области квантовых материалов QMAT. Результаты предполагают, что изучение и проектирование экзотических квантовых материалов может стать одним из первых практических применений квантовых алгоритмов и вычислительных систем.
Источник: New quantum algorithm solves “impossible” materials problem in seconds