Οι κβαντικοί υπολογιστές και άλλες προηγμένες κβαντικές τεχνολογίες βασίζονται σε ειδικά κβαντικά υλικά που συμπεριφέρονται με ασυνήθιστους τρόπους κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι επιστήμονες μπορούν ακόμη και να δημιουργήσουν εντελώς νέες κβαντικές ιδιότητες αλλάζοντας προσεκτικά τη δομή ενός υλικού. Ένα ενδιαφέρον παράδειγμα περιλαμβάνει τη στοίβαξη φύλλων γραφενίου και τη συστροφή τους σε ένα μοτίβο μούρας, το οποίο μπορεί ξαφνικά να μετατρέψει το υλικό σε υπεραγωγό.
Οι ερευνητές μπορούν να τακτοποιήσουν αυτά τα στρώματα σε πιο πολύπλοκες δομές, συμπεριλαμβανομένων οιονεί κρυστάλλων και υλικών υπερ-μήτρας. Αλλά η πρόβλεψη του πώς θα συμπεριφερθούν αυτές οι εξωτικές ουσίες είναι εξαιρετικά δύσκολη. Οι οιονεί κρύσταλλοι είναι τόσο μαθηματικά πολύπλοκοι που η προσομοίωσή τους μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερα από ένα τετράγωνο, μια κλίμακα πέρα από την εμβέλεια των πιο ισχυρών υπερυπολογιστών του σήμερα.
Οι κβαντικοί αλγόριθμοι λύνουν προβλήματα τεράστιας ύλης
Οι επιστήμονες στο Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου του Άαλτο έχουν αναπτύξει τώρα έναν αλγόριθμο εμπνευσμένο από κβαντικά στοιχεία ικανό να χειρίζεται αυτά τα τεράστια μη περιοδικά κβαντικά στοιχεία σχεδόν ακαριαία. Ο επίκουρος καθηγητής José Lado είπε ότι η εργασία υπογραμμίζει έναν πολλά υποσχόμενο βρόχο ανάδρασης μέσα στην ίδια την κβαντική τεχνολογία.
«Είναι σημαντικό, αυτοί οι νέοι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να επιτρέψουν την ανάπτυξη νέων κβαντικών υλικών για τη δημιουργία νέων παραδειγμάτων κβαντικών υπολογιστών, δημιουργώντας έναν παραγωγικό αμφίδρομο βρόχο ανάδρασης μεταξύ κβαντικών υλικών και κβαντικών υπολογιστών», εξηγεί.
Η πρόοδος θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει την ανάπτυξη άχρηστων ηλεκτρονικών ειδών, τα οποία μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς να σπαταλούν ενέργεια. Τέτοια συστήματα μπορούν να βοηθήσουν στη μείωση των αυξανόμενων απαιτήσεων θερμότητας και ενέργειας των κέντρων δεδομένων που λειτουργούν με τεχνητή νοημοσύνη.
Η ερευνητική ομάδα είχε επικεφαλής τον Lado και περιλάμβανε τον διδακτορικό ερευνητή Tiago Antao, ο οποίος υπηρέτησε ως κύριος συγγραφέας της εργασίας. Ο διδακτορικός ερευνητής του QDOC, Yitao Sun; και Ερευνητής της Ακαδημίας Adolfo Fumega. Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα Επιστολή φυσικής αναθεώρησης Όπως προτείνει ένας συντάκτης.
Προσομοίωση τοπολογικών οιονεί κρυστάλλων
Οι ερευνητές εστίασαν σε τοπολογικούς οιονεί κρυστάλλους, ασυνήθιστα υλικά που φιλοξενούν μη συμβατικές κβαντικές διεγέρσεις. Αυτές οι διεγέρσεις είναι ιδιαίτερα πολύτιμες επειδή βοηθούν στην προστασία της ηλεκτρικής αγωγιμότητας από ενοχλητικούς θορύβους και παρεμβολές. Ωστόσο, είναι άνισα κατανεμημένες σε όλη την ήδη εξαιρετικά πολύπλοκη δομή ενός οιονεί κρυστάλλου.
Αντί να προσπαθήσει να υπολογίσει άμεσα ολόκληρη τη δομή του υλικού, η ομάδα αναμόρφωσε την πρόκληση χρησιμοποιώντας μεθόδους παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούν οι κβαντικοί υπολογιστές.
“Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν σε εκθετικά μεγάλους υπολογιστικούς χώρους, επομένως χρησιμοποιήσαμε μια ειδική οικογένεια αλγορίθμων για να κωδικοποιήσουμε αυτούς τους χώρους για να υπολογίσουμε έναν οιονεί κρυστάλλο με περισσότερες από 268 εκατομμύρια τοποθεσίες, γνωστά ως δίκτυα τανυστών. Συστήματα πολλών σωμάτων”, είπε ο Anto.
Σε αυτό το στάδιο, η εργασία παραμένει θεωρητική και έγινε μέσω προσομοιώσεων, αλλά οι ερευνητές λένε ότι ήδη εμφανίζονται πειραματικές δοκιμές και μελλοντικές εφαρμογές.
“Ο αλγόριθμος εμπνευσμένος από κβαντικά που επιδείξαμε μας δίνει τη δυνατότητα να κατασκευάζουμε υπερ-μαυρικούς οιονεί κρυστάλλους πολύ υψηλότερων διαστάσεων από ό,τι μπορούν οι παραδοσιακές μέθοδοι. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς το σχεδιασμό τοπολογικών qubits με υπερ-μαυρικά στοιχεία για χρήση σε κβαντικούς υπολογιστές, για παράδειγμα”, είπε ο Lado.
Προς πρακτικές εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών
Σύμφωνα με τον Lado, ο αλγόριθμος θα μπορούσε τελικά να προσαρμοστεί για να λειτουργεί σε έναν πραγματικό κβαντικό υπολογιστή, μόλις το υλικό έχει προχωρήσει αρκετά.
“Η μέθοδός μας μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να τρέχει σε πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές, μόλις φτάσουν στην απαραίτητη κλίμακα και πιστότητα. Ειδικότερα, το νέο AaltoQ20 και η φινλανδική υποδομή κβαντικών υπολογιστών μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο σε μελλοντικές επιδείξεις”, δήλωσε ο Lado.
Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η μελέτη και ο σχεδιασμός εξωτικών κβαντικών υλικών θα μπορούσε να γίνει μια από τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές για κβαντικούς αλγόριθμους και συστήματα κβαντικών υπολογιστών.
Το έργο συνδυάζει δύο βασικούς τομείς της φινλανδικής κβαντικής έρευνας: τα κβαντικά υλικά και τους κβαντικούς αλγόριθμους. Αποτελεί μέρος της επιχορήγησης ERC της Lado ULTRATWISTROICS, η οποία επικεντρώνεται στον σχεδιασμό τοπολογικών qubits χρησιμοποιώντας υλικά van der Waals, καθώς και στο Κέντρο Αριστείας στα Κβαντικά Υλικά QMAT, που στοχεύει στην προώθηση μελλοντικών κβαντικών τεχνολογιών.