Οι κβαντικοί υπολογιστές και άλλες προηγμένες κβαντικές τεχνολογίες βασίζονται σε εξειδικευμένα κβαντικά υλικά που, υπό τις σωστές συνθήκες, συμπεριφέρονται με ασυνήθιστους τρόπους. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν νέες κβαντικές ιδιότητες αλλάζοντας προσεκτικά τη δομή ενός υλικού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η στοίβαξη φύλλων γραφενίου και η συστροφή τους σε μοτίβο moiré, που μπορεί ξαφνικά να το μετατρέψει σε υπεραγωγό.
Οι ερευνητές προχωρούν σε ακόμη πιο σύνθετες διατάξεις, όπως τα κβασικρύσταλλα και τα super-moiré υλικά. Όμως η πρόβλεψη της συμπεριφοράς αυτών των εξωτικών υλικών είναι εξαιρετικά δύσκολη. Τα κβασικρύσταλλα είναι τόσο περίπλοκα μαθηματικά που η προσομοίωσή τους μπορεί να απαιτεί περισσότερους από ένα τετράκις εκατομμύριο αριθμούς, κλίμακα πολύ πέρα από τις δυνατότητες των ισχυρότερων σημερινών υπερυπολογιστών.
Επιστήμονες από το Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής του Aalto University ανέπτυξαν τώρα έναν κβαντο-εμπνευσμένο αλγόριθμο, ικανό να χειρίζεται αυτά τα τεράστια μη περιοδικά κβαντικά υλικά σχεδόν ακαριαία. Ο επίκουρος καθηγητής Jose Lado σημειώνει ότι το έργο αναδεικνύει και έναν υποσχόμενο κύκλο ανατροφοδότησης μέσα στην ίδια την κβαντική τεχνολογία.
«Καθοριστικό είναι ότι αυτοί οι νέοι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να επιτρέψουν την ανάπτυξη νέων κβαντικών υλικών για την οικοδόμηση νέων προτύπων κβαντικών υπολογιστών, δημιουργώντας έναν παραγωγικό αμφίδρομο κύκλο ανατροφοδότησης ανάμεσα στα κβαντικά υλικά και τους κβαντικούς υπολογιστές», εξηγεί.
Η πρόοδος αυτή θα μπορούσε να στηρίξει μελλοντικά την ανάπτυξη ηλεκτρονικών χωρίς απώλειες, που αγωγούν το ρεύμα χωρίς ενεργειακή απώλεια. Τέτοια συστήματα ενδέχεται να μειώσουν τις αυξανόμενες ανάγκες για θερμότητα και ενέργεια στα κέντρα δεδομένων που κινούνται από συστήματα τεχνητής νοημοσύνης.
Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας ήταν ο Lado, με τους Tiago Antão, υποψήφιο διδάκτορα και κύριο συγγραφέα της μελέτης, τον υποψήφιο διδάκτορα QDOC Yitao Sun και τον Academy Research Fellow Adolfo Fumega. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters ως Editor’s Suggestion.
Οι ερευνητές εστίασαν σε τοπολογικά κβασικρύσταλλα, ασυνήθιστα υλικά που φιλοξενούν ανορθόδοξες κβαντικές διεγέρσεις. Αυτές οι διεγέρσεις είναι ιδιαίτερα πολύτιμες, επειδή θωρακίζουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα από θόρυβο και παρεμβολές. Ωστόσο, κατανέμονται ανομοιόμορφα μέσα στην ήδη εξαιρετικά περίπλοκη δομή ενός κβασικρυστάλλου.
Αντί να επιχειρήσει τον άμεσο υπολογισμό της πλήρους δομής, η ομάδα αναδιατύπωσε την πρόκληση με μεθόδους παρόμοιες με εκείνες των κβαντικών υπολογιστών. «Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν σε εκθετικά μεγάλους υπολογιστικούς χώρους, γι’ αυτό χρησιμοποιήσαμε μια ειδική οικογένεια αλγορίθμων για την κωδικοποίησή τους, γνωστή ως tensor networks, ώστε να υπολογίσουμε ένα κβασικρύσταλλο με πάνω από 268 εκατομμύρια θέσεις. Ο αλγόριθμός μας δείχνει πώς τεράστια προβλήματα στα κβαντικά υλικά μπορούν να λυθούν άμεσα με την εκθετική επιτάχυνση που προκύπτει όταν το πρόβλημα κωδικοποιείται ως κβαντικό σύστημα πολλών σωμάτων», λέει ο Antão.
Σε αυτό το στάδιο, η δουλειά είναι θεωρητική και πραγματοποιήθηκε μέσω προσομοιώσεων, όμως οι ερευνητές αναφέρουν ότι ο πειραματικός έλεγχος και οι εφαρμογές βρίσκονται ήδη στον ορίζοντα. «Ο κβαντο-εμπνευσμένος αλγόριθμος που παρουσιάσαμε μας επιτρέπει να δημιουργούμε super-moiré κβασικρύσταλλα αρκετές τάξεις μεγέθους πέρα από τις δυνατότητες των συμβατικών μεθόδων. Πρόκειται για καίριο βήμα προς τον σχεδιασμό τοπολογικών qubits με super-moiré υλικά για χρήση σε κβαντικούς υπολογιστές», λέει ο Lado.
Σύμφωνα με τον Lado, ο αλγόριθμος μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να τρέχει σε πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές, όταν το υλικό φτάσει την απαιτούμενη κλίμακα και πιστότητα. «Η μέθοδός μας μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να τρέχει σε πραγματικούς κβαντικούς υπολογιστές, όταν αυτοί φτάσουν την αναγκαία κλίμακα και πιστότητα. Ειδικότερα, τα νέα AaltoQ20 και το Finnish Quantum Computing Infrastructure μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο σε μελλοντικές επιδείξεις», σημειώνει.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η μελέτη και ο σχεδιασμός εξωτικών κβαντικών υλικών μπορεί να αποτελέσει από τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές για κβαντικούς αλγόριθμους και συστήματα κβαντικών υπολογιστών.
Το έργο φέρνει κοντά δύο βασικούς κλάδους της φινλανδικής κβαντικής έρευνας: τα κβαντικά υλικά και τους κβαντικούς αλγόριθμους. Εντάσσεται στην επιχορήγηση ERC Consolidator του Lado, ULTRATWISTROICS, που επικεντρώνεται στον σχεδιασμό τοπολογικών qubits με υλικά van der Waals, καθώς και στο Center of Excellence in Quantum Materials QMAT, με στόχο την προώθηση των κβαντικών τεχνολογιών του μέλλοντος.
Πηγή: Aalto University. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να έχει επιμεληθεί για λόγους ύφους και έκτασης.
