新しい量子アルゴリズムが「不可能」な材料問題を数秒で解決

量子コンピュータやその他の高度な量子技術は、適切な条件下で異常な振る舞いを示す特殊な量子材料に依存しています。場合によっては、材料の構造を注意深く変更することで、まったく新しい量子特性を作り出すことも可能です。顕著な例として、グラフェンシートを積層してモアレパターンにねじることで、材料が突然超伝導体に変わることが挙げられます。

研究者はこれらの層をさらに複雑な構造（準結晶やスーパーモアレ材料など）に配置できます。しかし、これらのエキゾチックな材料の振る舞いを予測することは非常に困難です。準結晶は数学的に非常に複雑であり、そのシミュレーションには1兆個を超える数値が必要になることがあり、今日の最も強力なスーパーコンピュータの能力をはるかに超えています。

アールト大学応用物理学部の科学者たちは、このような巨大な非周期量子材料をほぼ瞬時に処理できる量子に着想を得たアルゴリズムを開発しました。Jose Lado准教授は、この研究が量子技術内部の生産的なフィードバックサイクルを浮き彫りにしていると述べています。

「重要なのは、これらの新しい量子アルゴリズムが新しい量子材料の開発を可能にし、それによって新しい量子コンピュータのパラダイムを構築するという、量子材料と量子コンピュータの間の生産的な双方向フィードバックループを生み出すことです」と彼は説明します。

この進歩は、エネルギー損失なしに電気を伝導する無散逸エレクトロニクスの開発を最終的に支援する可能性があります。そのようなシステムは、AI駆動のデータセンターの増大する発熱とエネルギー需要を削減するのに役立つかもしれません。

研究チームはLadoが率い、博士研究員のTiago Antão（論文の主著者）、QDOC博士研究員のYitao Sun、アカデミー研究員のAdolfo Fumegaが参加しました。彼らの発見は最近、『Physical Review Letters』にEditor's Suggestionとして掲載されました。

研究者たちは、異常な量子励起をホストする特殊な材料であるトポロジカル準結晶に焦点を当てました。これらの励起は、導電性を破壊的なノイズや干渉から保護するのに特に役立ちます。しかし、それらはすでに非常に複雑な準結晶構造内に不均一に分布しています。

チームは材料の完全な構造を直接計算する代わりに、量子コンピュータが使用するものと同様の方法を使用して課題を再構成しました。

「量子コンピュータは指数関数的に大きな計算空間で動作するため、我々はテンソルネットワークと呼ばれる特殊なアルゴリズム群を使用してそれらの空間をエンコードし、2億6800万以上のサイトを持つ準結晶を計算しました。我々のアルゴリズムは、量子材料の巨大な問題を量子多体系としてエンコードすることで得られる指数関数的な高速化で直接解決できることを示しています」とAntãoは述べています。

現段階では、この研究は理論的であり、シミュレーションを通じて行われましたが、研究者らは実験的テストと将来の応用がすでに見えていると述べています。

「我々が実証した量子に着想を得たアルゴリズムにより、従来の方法の能力を数桁上回るスーパーモアレ準結晶を作成できます。これは、例えば量子コンピュータで使用するためのスーパーモアレ材料を用いたトポロジカル量子ビットを設計するための重要なステップです」とLadoは言います。

Ladoによれば、このアルゴリズムはハードウェアが十分に進歩した時点で、実際の量子コンピュータで動作するように適応できる可能性があります。

「我々の手法は、必要な規模とフィデリティに達した実際の量子コンピュータで動作するように適応できます。特に、新しいAaltoQ20とフィンランド量子コンピューティングインフラストラクチャは、将来のデモンストレーションに重要な役割を果たす可能性があります」とLadoは述べています。

この発見は、エキゾチックな量子材料の研究と設計が、量子アルゴリズムと量子コンピューティングシステムの最初の実用的応用の1つになる可能性があることを示唆しています。

このプロジェクトは、フィンランドの量子研究の2つの主要分野、すなわち量子材料と量子アルゴリズムを結集しています。これは、LadoのERC Consolidator助成金ULTRATWISTROICS（ファンデルワールス材料を用いたトポロジカル量子ビットの設計に焦点を当てる）および量子材料の卓越センターQMAT（将来の量子技術を進歩させることを目的とする）の一部です。