Ένας νέος κβαντικής έμπνευσης αλγόριθμος αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες προσεγγίζουν ορισμένα από τα πιο σύνθετα υλικά, επιτρέποντας ταχεία ανάλυση δομών που μέχρι τώρα ήταν εκτός υπολογιστικής εμβέλειας.
Οι κβαντικές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών υπολογιστών, βασίζονται σε υλικά που εμφανίζουν ασυνήθιστα κβαντικά φαινόμενα υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι αυτές οι ιδιότητες μπορούν να «σχεδιαστούν» ρυθμίζοντας τη δομή του υλικού. Για παράδειγμα, η στοίβαξη και η ελαφρά στρέβλωση στρωμάτων γραφενίου δημιουργεί μοτίβο μοαρέ που μπορεί να μετατρέψει το υλικό σε υπεραγωγό.
Καθώς οι επιστήμονες δημιουργούν ολοένα πιο περίπλοκα πολυστρωματικά συστήματα, φτάνουν σε δομές όπως τα κουαζικρύσταλλα και τα super-moiré υλικά. Η πρόκληση είναι να προβλεφθεί ποιοι σχεδιασμοί θα αποδειχθούν χρήσιμοι. Η προσομοίωση αυτών των υλικών απαιτεί τεράστιους υπολογισμούς· στα κουαζικρύσταλλα μπορεί να ξεπερνούν ένα τετράκις εκατομμύριο αριθμούς, πολύ πέρα από τις δυνατότητες ακόμη και των ισχυρότερων υπερυπολογιστών.
Ερευνητές από το Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου Aalto παρουσίασαν έναν κβαντικής έμπνευσης αλγόριθμο που διαχειρίζεται με εντυπωσιακή ταχύτητα αυτά τα γιγαντιαία, μη περιοδικά συστήματα. Σύμφωνα με τον Επίκουρο Καθηγητή Jose Lado, η εργασία αναδεικνύει και έναν ολοένα εντονότερο βρόχο ανατροφοδότησης στην κβαντική τεχνολογία. «Καθοριστικά, αυτοί οι νέοι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να επιτρέψουν την ανάπτυξη νέων κβαντικών υλικών για την οικοδόμηση νέων παραδειγμάτων κβαντικών υπολογιστών, δημιουργώντας έναν παραγωγικό αμφίδρομο βρόχο ανατροφοδότησης ανάμεσα στα κβαντικά υλικά και τους κβαντικούς υπολογιστές», εξηγεί.
Κεντρικό ρόλο στην προσέγγιση έχουν τα δίκτυα τανυστών, τα οποία μπορούν να αναπαριστούν συναρτήσεις σε εξαιρετικά πυκνά υπολογιστικά πλέγματα. Έτσι, είναι ιδανικά για την ανάλυση μεγάλων κβαντικών υλικών. Τα ευρήματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ηλεκτρονικά χωρίς απώλειες, συμβάλλοντας στη μείωση της θερμότητας που παράγεται από AI-driven κέντρα δεδομένων.
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Lado περιλάμβανε τον υποψήφιο διδάκτορα Tiago Antão, κύριο συγγραφέα της μελέτης, τον QDOC υποψήφιο διδάκτορα Yitao Sun και τον Academy Research Fellow Adolfo Fumega. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο Physical Review Letters ως Editor’s Suggestion.
Η μελέτη εστίασε σε τοπολογικά κουαζικρύσταλλα, τα οποία φιλοξενούν ασυνήθιστες κβαντικές διεγέρσεις. Αυτές βοηθούν στη διατήρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, προστατεύοντάς την από θόρυβο και παρεμβολές. Ωστόσο, κατανέμονται άνισα μέσα στο υλικό, κάτι που δυσκολεύει την ανάλυση.
Αντί να επιχειρήσουν άμεση προσομοίωση ολόκληρης της δομής, οι ερευνητές αναδιατύπωσαν το πρόβλημα με αρχές παρόμοιες με εκείνες της κβαντικής υπολογιστικής. «Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν σε εκθετικά μεγάλους υπολογιστικούς χώρους, γι’ αυτό χρησιμοποιήσαμε μια ειδική οικογένεια αλγορίθμων για να κωδικοποιήσουμε αυτούς τους χώρους, τα λεγόμενα δίκτυα τανυστών, ώστε να υπολογίσουμε ένα κουαζικρύσταλλο με πάνω από 268 εκατομμύρια θέσεις. Ο αλγόριθμός μας δείχνει πώς κολοσσιαία προβλήματα στα κβαντικά υλικά μπορούν να λυθούν απευθείας με την εκθετική επιτάχυνση που προκύπτει όταν το πρόβλημα κωδικοποιείται ως κβαντικό σύστημα πολλών σωμάτων», λέει ο Antão.
Η μέθοδος έχει έως τώρα δοκιμαστεί μέσω προσομοιώσεων, αλλά μπορεί να ακολουθήσει πειραματική επιβεβαίωση.
«Ο κβαντικής έμπνευσης αλγόριθμος που παρουσιάσαμε μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε σούπερ-μοαρέ κουαζικρύσταλλα αρκετές τάξεις μεγέθους πέρα από τις δυνατότητες των συμβατικών μεθόδων. Αυτό είναι ένα καθοριστικό βήμα προς τον σχεδιασμό τοπολογικών qubits με σούπερ-μοαρέ υλικά, για χρήση σε κβαντικούς υπολογιστές, για παράδειγμα», λέει ο Lado.
Σύμφωνα με τον Lado, ο αλγόριθμος της ομάδας θα μπορούσε να προσαρμοστεί ώστε να ενσωματωθεί σε κβανικό υπολογιστή. Ο Lado σημειώνει ότι ο αλγόριθμος θα μπορούσε τελικά να τρέξει σε πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές. «Η μέθοδός μας μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να τρέξει σε πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές, όταν αυτοί φτάσουν την απαραίτητη κλίμακα και πιστότητα. Ειδικότερα, τα νέα AaltoQ20 και το Finnish Quantum Computing Infrastructure μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο σε μελλοντικές επιδείξεις», λέει ο Lado.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι ο σχεδιασμός και η κατανόηση σύνθετων κβαντικών υλικών μπορεί να εξελιχθούν σε μία από τις πρώτες πρακτικές χρήσεις κβαντικών αλγορίθμων. Η εργασία συνδέει επίσης δύο βασικούς τομείς της κβαντικής έρευνας στη Φινλανδία: την επιστήμη των υλικών και την ανάπτυξη αλγορίθμων.
Reference: “Tensor Network Method for Real-Space Topology in Quasicrystal Chern Mosaics” by Tiago V. C. Antão, Yitao Sun, Adolfo O. Fumega and Jose L. Lado, 13 April 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/hhdf-xpwg
Η μελέτη εντάσσεται στο ERC Consolidator Grant του Lado, ULTRATWISTROICS, που επικεντρώνεται στη δημιουργία τοπολογικών qubits με υλικά van der Waals. Συμβάλλει επίσης στο Center of Excellence in Quantum Materials (QMAT), που στοχεύει να προωθήσει τις κβαντικές τεχνολογίες τις επόμενες δεκαετίες.
