Kvantové počítače a pokročilé kvantové technologie se spoléhají na specializované kvantové materiály, které se za správných podmínek chovají netypicky. Vědci dokonce dokáží vytvářet zcela nové kvantové vlastnosti záměrnou změnou struktury materiálu — například skládáním vrstev grafenu s jejich vzájemným pootočením do moiré vzoru, čímž se materiál stane supravodičem. Tyto vrstvy lze uspořádat do ještě složitějších struktur, včetně quasikrystalů a super-moiré materiálů. Předpovídat chování těchto exotických útvarů je však nesmírně obtížné: quasikrystaly jsou matematicky natolik komplexní, že jejich simulace může zahrnovat více než kvadrilion čísel — škála dalece přesahující možnosti dnešních nejvýkonnějších superpočítačů.
Vědci z Katedry aplikované fyziky Aalto University nyní vyvinuli kvantově inspirovaný algoritmus schopný pracovat s těmito obrovskými neperiodickými kvantovými materiály téměř okamžitě. Výsledky jejich výzkumu vyšly v časopise Physical Review Letters jako doporučený článek redakce.
„Zásadní je, že tyto nové kvantové algoritmy mohou umožnit vývoj nových kvantových materiálů pro budování nových paradigmat kvantových počítačů, čímž vzniká produktivní obousměrná vazba mezi kvantovými materiály a kvantovými počítači,“ vysvětluje odborný asistent Jose Lado.
Průlom ve výpočetní fyzice
Výzkumný tým se zaměřil na topologické quasikrystaly — neobvyklé materiály, které hostí nekonvenční kvantové excitace chránící elektrickou vodivost před rušivými vlivy. Místo přímého výpočtu plné struktury materiálu tým přeformuloval problém pomocí metod obdobných těm, které využívají kvantové počítače. Klíčovým nástrojem se staly tenzorové sítě.
„Kvantové počítače pracují v exponenciálně velkých výpočetních prostorech, proto jsme využili speciální rodinu algoritmů ke kódování těchto prostorů, tzv. tenzorové sítě, abychom vypočítali quasikrystal s více než 268 miliony míst. Náš algoritmus ukazuje, jak lze obrovské problémy v oblasti kvantových materiálů přímo řešit s exponenciálním zrychlením,“ přibližuje Tiago Antão, hlavní autor studie.
Výzkum v současné době zůstává teoretický a prováděný prostřednictvím simulací, avšak experimentální testování a budoucí aplikace jsou již na obzoru. Podle Lada by algoritmus mohl být upraven pro provoz na skutečných kvantových počítačích, jakmile hardware dosáhne potřebné úrovně. Výzkum propojuje dvě klíčové oblasti finského kvantového výzkumu — kvantové materiály a kvantové algoritmy — a je součástí projektu ERC Consolidator ULTRATWISTROICS.
Zdroj: sciencedaily.com
