Квантовый компьютер впервые измерил корреляции электронных пар для поиска сверхпроводников

Впервые квантовый компьютер успешно измерил корреляции спаривания — квантовые сигналы, показывающие, как электроны объединяются в пары. Это важный шаг в поиске «святого Грааля» физики — сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без сопротивления, то есть без потерь энергии в виде тепла. Однако для работы их необходимо охлаждать до экстремально низких температур, что делает их дорогими и непрактичными для широкого использования. Физики пытаются модифицировать их структуру, чтобы добиться работы при комнатной температуре, и многие считают, что понимание и управление корреляциями электронных пар является ключом к этому прорыву.

Проблема модели Ферми-Хаббарда

Десятилетиями эти исследования были заблокированы. Для моделирования поведения электронов в потенциальных сверхпроводниках ученые используют математическую модель Ферми-Хаббарда. Она позволяет тестировать и предсказывать поведение электронов в новых сверхпроводящих материалах. Но с добавлением частиц задача быстро становится настолько сложной, что ее не могут решить даже самые мощные традиционные суперкомпьютеры.

Исследователи из квантовой компании Quantinuum использовали новый квантовый компьютер Helios-1 для симуляции сложных взаимодействий. Вместо расчетов поведения материала Helios-1 имитировал квантовые взаимодействия внутри него. В качестве кубитов — фундаментальных строительных блоков квантового компьютера — используются специально удерживаемые ионы.

В отличие от классического бита, который строго равен 0 или 1, кубит может находиться в состоянии 0 и 1 одновременно. Сопоставив задачу с этой квантовой аппаратной платформой, исследователи обошли ограничения классических суперкомпьютеров и впервые провели точные измерения слабых квантовых свидетельств корреляций спаривания.

Измерения и результаты

Helios-1 провел измерения в трех различных сценариях, включая тестирование модели для новых никелевых сверхпроводников. Эксперимент показал, что квантовые вычисления могут стать мощным инструментом для ускорения поиска сверхпроводимости при комнатной температуре.

«Эти результаты показывают, что квантовый компьютер может надежно создавать и исследовать физически релевантные состояния со сверхпроводящими корреляциями спаривания, открывая путь к исследованию сверхпроводимости с помощью квантовых компьютеров», — прокомментировали исследователи в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv.

Однако физики не скоро начнут регулярно использовать квантовые вычисления для решения этой проблемы. Предстоит решить несколько задач. Две основные проблемы — это накопление шума, когда внешние помехи, такие как электромагнитные поля, вызывают коллапс кубитов, и необходимость в большем количестве кубитов для точного моделирования крупных реальных материалов.

Сверхпроводники при комнатной температуре могли бы произвести революцию в энергетике, транспорте (например, в создании поездов на магнитной подушке) и вычислительной технике, значительно снизив энергопотери. Хотя до практического применения еще далеко, данное исследование демонстрирует принципиальную возможность использования квантовых компьютеров для решения фундаментальных задач материаловедения.