新量子演算法在秒級解決“不可能”的材料問題

量子計算機和其他先進量子技術依賴於在特定條件下表現出異常行為的專用量子材料。在某些情況下，科學家甚至可以透過精心改變材料結構來創造全新的量子性質。一個顯著的例子是將石墨烯層堆疊並扭轉成莫爾圖案，這可以突然將材料轉變為超導體。

研究人員可以將這些層排列成更復雜的結構，包括準晶和超莫爾材料。但預測這些奇特材料的行為極其困難。準晶在數學上非常複雜，模擬它們可能涉及超過一萬億個數字，遠遠超出當今最強超級計算機的處理能力。

阿爾託大學應用物理系的科學家現在開發出一種受量子啟發的演算法，能夠幾乎瞬間處理這些巨大的非週期量子材料。助理教授Jose Lado表示，這項研究還突顯了量子技術內部一個富有成效的反饋迴圈。

“關鍵的是，這些新量子演算法能夠推動新量子材料的開發，進而構建新一代量子計算機，形成量子材料與量子計算機之間高效的雙向反饋迴圈，”他解釋道。

這一進展最終可能支援無耗散電子學的發展，這類系統在沒有能量損失的情況下傳導電流。這樣的系統可能有助於減少AI驅動資料中心日益增長的散熱和能源需求。

研究團隊由Lado領導，包括博士研究員Tiago Antão（論文主要作者）、QDOC博士研究員Yitao Sun以及學院研究員Adolfo Fumega。他們的發現最近作為編輯推薦發表在《物理評論快報》上。

研究人員專注於拓撲準晶，這類奇特材料承載著非常規量子激發。這些激發尤其珍貴，因為它們有助於保護電導免受破壞性噪聲和干擾。然而，它們在準晶已經高度複雜的結構中分佈不均。

團隊沒有嘗試直接計算材料的完整結構，而是用量子計算機類似的方法重新定義了這一挑戰。

“量子計算機在指數級增長的計算空間中工作，因此我們使用一系列特殊演算法——張量網路——來編碼這些空間，從而計算出擁有超過2.68億個位點的準晶。我們的演算法展示瞭如何透過將問題編碼為量子多體系統所獲得的指數級加速直接解決量子材料中的巨大問題，”Antão說。

目前，這項工作仍是理論性的，透過模擬進行，但研究人員表示，實驗測試和未來應用已經初現端倪。

“我們展示的量子啟發演算法使我們能夠建立超莫爾準晶，其規模遠超傳統方法的能力。這是邁向利用超莫爾材料設計用於量子計算機的拓撲量子位元的關鍵一步，”Lado說。

根據Lado的說法，一旦硬體足夠先進，該演算法最終可以適配並在真實量子計算機上執行。

“我們的方法可以適配在真實量子計算機上執行，只要它們達到必要的規模和保真度。特別是，新的AaltoQ20和芬蘭量子計算基礎設施將在未來的演示中發揮重要作用。”

這些發現表明，研究和設計奇異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。

該專案還匯聚了芬蘭量子研究的兩大領域：量子材料和量子演算法。它是Lado的ERC整合者專案ULTRATWISTROICS的一部分，該專案專注於利用範德華材料設計拓撲量子位元，同時也是量子材料卓越中心QMAT的一部分，其目標是推進未來的量子技術。