Квантовый алгоритм научился почти мгновенно моделировать сверхсложные квантовые материалы
Квантовые технологии и будущие квантовые компьютеры опираются на особые квантовые материалы, поведение которых резко меняется при малейших изменениях структуры. Иногда учёные могут буквально «сконструировать» новые физические свойства, изменяя геометрию материала. Один из известных примеров — графен, чьи слои при определённом угле скручивания образуют муаровую структуру, способную превращаться в сверхпроводник.
Однако по мере усложнения таких систем — например, при переходе к квазикристаллам и супер-муаровым структурам — их моделирование становится практически неподъёмной задачей для классических суперкомпьютеров. Для описания поведения таких материалов требуется учёт настолько огромного числа параметров, что речь идёт о масштабах, сравнимых с квадриллионом вычислительных величин.
Исследователи из Университета Аалто (Финляндия) предложили новый квантово-вдохновлённый алгоритм, который позволяет существенно упростить моделирование таких систем. Работа показала, что даже крайне сложные непериодические квантовые структуры можно анализировать почти мгновенно, если правильно перестроить сам способ представления задачи.
Ключевая идея заключается в использовании математических методов, аналогичных тем, что применяются в квантовых вычислениях. Вместо прямого расчёта всей структуры материала алгоритм кодирует систему в виде тензорных сетей — формализма, позволяющего эффективно описывать квантовые состояния в чрезвычайно больших вычислительных пространствах.
Тензорные сети позволяют представлять функции на сверхтонких сетках, что делает их перспективным методом для расчёта массивных квантовых материалов. Иллюстрация: Jose Lado / Aalto UniversityВ результате исследователям удалось смоделировать квазикристалл с более чем 268 миллионами узлов, что ранее считалось практически недостижимым для классических методов. По словам одного из авторов работы Тиаго Антао, такой подход позволяет получать «квантовое ускорение» за счёт более компактного представления информации о системе.
Авторы подчёркивают, что речь пока что идёт о теоретических симуляциях, однако метод уже стал основой для будущих экспериментов. Особый интерес вызывают топологические квазикристаллы — структуры, в которых квантовые возбуждения распределены крайне неравномерно, но при этом защищают проводимость от внешних помех и шума.
В перспективе такие материалы могут стать основой для диссипационно-безэнергетической электроники, где электрический ток течёт без потерь. Это особенно важно на фоне растущих энергетических затрат современных вычислительных систем, включая инфраструктуру для искусственного интеллекта и крупных дата-центров.
Учёные также отмечают, что развитие подобных алгоритмов создаёт обратную связь между квантовыми материалами и квантовыми вычислениями: новые материалы позволяют строить более совершенные квантовые компьютеры, а те, в свою очередь, помогают моделировать ещё более сложные материалы.
По словам руководителя исследования Хосе Ладо, такие методы в будущем могут быть реализованы и на реальных квантовых компьютерах, включая исследовательскую инфраструктуру квантовых вычислений Финляндии Finnish Quantum Computing Infrastructure. Это приближает момент, когда проектирование квантовых материалов станет одной из первых практических задач квантовых вычислений, а не только теоретическим упражнением.
© iXBT
