量子電腦和其他先進的量子技術依賴於在適當條件下表現出特殊行為的專用量子材料。在某些情況下，科學家甚至可以透過仔細改變材料的結構來創造全新的量子特性。一個顯著的例子是將石墨烯薄片堆疊並扭曲成莫爾紋圖案，這可以突然將材料轉變為超導體。
研究人員可以將這些層組合成更複雜的結構，包括準晶體和超莫爾紋材料。但預測這些奇異材料的行為極其困難。準晶體的數學複雜性極高，模擬它們可能涉及超過一百萬億個數字，這個規模遠遠超出了當今最強大超級電腦的能力範圍。
量子演算法解決龐大的材料問題
阿爾托大學應用物理系的科學家們現在開發出一種受量子啟發的演算法，能夠幾乎即時處理這些龐大且非週期的量子材料。助理教授 Jose Lado 表示，這項工作也突顯了量子技術本身內一個有前景的回饋循環。
他解釋說：「至關重要的是，這些新的量子演算法能夠促進新量子材料的開發，以建構新的量子電腦範式，在量子材料和量子電腦之間創造一個富有成效的雙向回饋循環。」
這項進展最終可能支持無耗散電子學的發展，這類電子學能夠在沒有能量損失的情況下導電。這樣的系統可能有助於減少由人工智慧驅動的數據中心日益增長的熱量和能源需求。
該研究團隊由 Lado 領導，成員包括博士研究員 Tiago Antão（該論文的主要作者）、QDOC 博士研究員 Yitao Sun 和學院研究員 Adolfo Fumega。他們的研究成果最近發表在《物理評論快報》上，並被選為編輯推薦。
模擬拓撲準晶體
研究人員專注於拓撲準晶體，這是一種擁有非傳統量子激發的奇特材料。這些激發特別有價值，因為它們有助於保護電導免受破壞性的噪音和干擾。然而，它們在準晶體本身已經高度複雜的結構中分佈不均。
該團隊沒有嘗試直接計算材料的完整結構，而是採用了與量子電腦類似的方法來重新定義這個挑戰。
Antão 說：「量子電腦在指數級龐大的計算空間中運行，因此我們使用了一種稱為張量網路的特殊演算法家族來編碼這些空間，以計算一個擁有超過 2.68 億個站點的準晶體。我們的演算法展示了如何透過將問題編碼為量子多體系統所帶來的指數級加速，直接解決量子材料中的龐大問題。」
在這個階段，這項工作仍然是理論性的，並透過模擬完成，但研究人員表示，實驗測試和未來應用已經開始浮現。
Lado 表示：「我們展示的受量子啟發的演算法使我們能夠創建比傳統方法能力高出數個數量級的超莫爾紋準晶體。這是朝著設計用於量子電腦的超莫爾紋材料拓撲量子位元邁出的關鍵一步。」
邁向實際的量子計算應用
根據 Lado 的說法，一旦硬體變得足夠先進，該演算法最終可以改編為在實際的量子電腦上運行。
Lado 說：「一旦量子電腦達到必要的規模和保真度，我們的演算法就可以改編為在真實的量子電腦上運行。特別是，新的 AaltoQ20 和芬蘭量子計算基礎設施可以在未來的演示中發揮重要作用。」
研究結果表明，研究和設計奇異的量子材料可能成為量子演算法和量子計算系統最早的實際應用之一。
該項目還匯集了芬蘭量子研究的兩個主要領域：量子材料和量子演算法。它是 Lado 的 ERC Consolidator 補助金 ULTRATWISTROICS 的一部分，該補助金專注於使用范德華材料設計拓撲量子位元，以及量子材料卓越中心 QMAT，其目標是推進未來的量子技術。