Новый квантовый алгоритм решает «невозможную» проблему материалов за секунды

Тензорные сети могут представлять функции на сверхмелких сетках, что делает их перспективным методом для расчета массивных квантовых материалов. Источник: Jose Lado/Aalto University

Квантовые компьютеры и другие передовые квантовые технологии полагаются на специализированные квантовые материалы, которые ведут себя необычным образом при определенных условиях. В некоторых случаях ученые могут даже создавать совершенно новые квантовые свойства, осторожно изменяя структуру материала. Яркий пример — укладка листов графена и их скручивание в муаровый узор, что может внезапно превратить материал в сверхпроводник.

Исследователи могут собирать эти слои в еще более сложные структуры, включая квазикристаллы и супермуаровые материалы. Однако предсказать поведение таких экзотических материалов чрезвычайно сложно. Квазикристаллы настолько математически сложны, что их моделирование может включать более квадриллиона чисел — масштаб, недостижимый для самых мощных современных суперкомпьютеров.

Ученые из Университета Аалто (факультет прикладной физики) разработали вдохновленный квантовыми вычислениями алгоритм, способный обрабатывать эти огромные непериодические квантовые материалы практически мгновенно. Доцент Хосе Ладо отмечает, что работа также подчеркивает многообещающий цикл обратной связи внутри самой квантовой технологии.

«Важно то, что эти новые квантовые алгоритмы могут обеспечить разработку новых квантовых материалов для создания новых парадигм квантовых компьютеров, формируя продуктивный двусторонний цикл обратной связи между квантовыми материалами и квантовыми компьютерами», — объясняет он.

Это достижение может в конечном итоге поддержать разработку бездиссипативной электроники, которая проводит электричество без потерь энергии. Такие системы могут помочь снизить растущие потребности в тепловыделении и энергии центров обработки данных, работающих на базе ИИ.

Исследовательскую группу возглавил Ладо, в нее вошли докторант Тиаго Антан (основной автор статьи), докторант QDOC Итао Сунь и научный сотрудник Академии Адольфо Фумега. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters как рекомендация редакции.

Исследователи сосредоточились на топологических квазикристаллах — необычных материалах, содержащих нетрадиционные квантовые возбуждения. Эти возбуждения особенно ценны, так как помогают защитить электропроводность от разрушительных шумов и помех. Однако они распределены неравномерно по уже крайне сложной структуре квазикристалла.

Вместо того чтобы пытаться напрямую рассчитать полную структуру материала, команда переформулировала задачу, используя методы, аналогичные тем, что применяются в квантовых компьютерах.

«Квантовые компьютеры работают в экспоненциально больших вычислительных пространствах, поэтому мы использовали специальное семейство алгоритмов для кодирования этих пространств, известное как тензорные сети, чтобы вычислить квазикристалл с более чем 268 миллионами узлов. Наш алгоритм показывает, как колоссальные проблемы в квантовых материалах могут быть напрямую решены с экспоненциальным ускорением, которое дает кодирование проблемы в виде квантовой многотельной системы», — говорит Антан.

На данном этапе работа остается теоретической и была выполнена с помощью моделирования, но исследователи говорят, что экспериментальная проверка и будущие применения уже не за горами.

«Продемонстрированный нами квантово-вдохновленный алгоритм позволяет создавать супермуаровые квазикристаллы, на несколько порядков превосходящие возможности традиционных методов. Это важный шаг на пути к созданию топологических кубитов из супермуаровых материалов для использования в квантовых компьютерах, например», — говорит Ладо.

По словам Ладо, алгоритм в конечном итоге может быть адаптирован для работы на реальных квантовых компьютерах, когда аппаратное обеспечение станет достаточно совершенным.

«Наш метод может быть адаптирован для работы на реальных квантовых компьютерах, как только они достигнут необходимого масштаба и точности. В частности, новый AaltoQ20 и Финская инфраструктура квантовых вычислений могут сыграть значительную роль в будущих демонстрациях», — говорит Ладо.

Полученные данные свидетельствуют о том, что изучение и проектирование экзотических квантовых материалов может стать одним из первых практических применений квантовых алгоритмов и квантовых вычислительных систем.

Проект также объединяет два основных направления финских квантовых исследований: квантовые материалы и квантовые алгоритмы. Он является частью гранта ERC Consolidator Ладо ULTRATWISTROICS, направленного на разработку топологических кубитов с использованием материалов ван дер Ваальса, а также Центра передового опыта в области квантовых материалов QMAT, цель которого — продвигать квантовые технологии будущего.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Аалто.

Tiago V. C. Antão, Yitao Sun, Adolfo O. Fumega, Jose L. Lado. Tensor Network Method for Real-Space Topology in Quasicrystal Chern Mosaics. Physical Review Letters, 2026; 136 (15) DOI: 10.1103/hhdf-xpwg