新量子算法在秒级解决“不可能”的材料问题

量子计算机和其他先进量子技术依赖于在特定条件下表现出异常行为的专用量子材料。在某些情况下，科学家甚至可以通过精心改变材料结构来创造全新的量子性质。一个显著的例子是将石墨烯层堆叠并扭转成莫尔图案，这可以突然将材料转变为超导体。

研究人员可以将这些层排列成更复杂的结构，包括准晶和超莫尔材料。但预测这些奇特材料的行为极其困难。准晶在数学上非常复杂，模拟它们可能涉及超过一万亿个数字，远远超出当今最强超级计算机的处理能力。

阿尔托大学应用物理系的科学家现在开发出一种受量子启发的算法，能够几乎瞬间处理这些巨大的非周期量子材料。助理教授Jose Lado表示，这项研究还突显了量子技术内部一个富有成效的反馈循环。

“关键的是，这些新量子算法能够推动新量子材料的开发，进而构建新一代量子计算机，形成量子材料与量子计算机之间高效的双向反馈循环，”他解释道。

这一进展最终可能支持无耗散电子学的发展，这类系统在没有能量损失的情况下传导电流。这样的系统可能有助于减少AI驱动数据中心日益增长的散热和能源需求。

研究团队由Lado领导，包括博士研究员Tiago Antão（论文主要作者）、QDOC博士研究员Yitao Sun以及学院研究员Adolfo Fumega。他们的发现最近作为编辑推荐发表在《物理评论快报》上。

研究人员专注于拓扑准晶，这类奇特材料承载着非常规量子激发。这些激发尤其珍贵，因为它们有助于保护电导免受破坏性噪声和干扰。然而，它们在准晶已经高度复杂的结构中分布不均。

团队没有尝试直接计算材料的完整结构，而是用量子计算机类似的方法重新定义了这一挑战。

“量子计算机在指数级增长的计算空间中工作，因此我们使用一系列特殊算法——张量网络——来编码这些空间，从而计算出拥有超过2.68亿个位点的准晶。我们的算法展示了如何通过将问题编码为量子多体系统所获得的指数级加速直接解决量子材料中的巨大问题，”Antão说。

目前，这项工作仍是理论性的，通过模拟进行，但研究人员表示，实验测试和未来应用已经初现端倪。

“我们展示的量子启发算法使我们能够创建超莫尔准晶，其规模远超传统方法的能力。这是迈向利用超莫尔材料设计用于量子计算机的拓扑量子比特的关键一步，”Lado说。

根据Lado的说法，一旦硬件足够先进，该算法最终可以适配并在真实量子计算机上运行。

“我们的方法可以适配在真实量子计算机上运行，只要它们达到必要的规模和保真度。特别是，新的AaltoQ20和芬兰量子计算基础设施将在未来的演示中发挥重要作用。”

这些发现表明，研究和设计奇异量子材料可能成为量子算法和量子计算系统最早的实际应用之一。

该项目还汇聚了芬兰量子研究的两大领域：量子材料和量子算法。它是Lado的ERC整合者项目ULTRATWISTROICS的一部分，该项目专注于利用范德华材料设计拓扑量子比特，同时也是量子材料卓越中心QMAT的一部分，其目标是推进未来的量子技术。