Дослідники з Aalto University представили алгоритм, що використовує підходи квантових обчислень та дозволяє аналізувати надскладні матеріали з величезною швидкістю. Йдеться про структури, моделювання яких раніше вважалося практично неможливим навіть для найпотужніших суперкомп’ютерів
Фото: magnific.com
У дослідженні науковців зазначається, що квантові обчислення та пов’язані з ними технології залежать від матеріалів із незвичайними квантовими властивостями, які проявляються лише за певних умов. Вчені можуть не лише знаходити такі властивості в природі, а й цілеспрямовано створювати їх, змінюючи структуру матеріалів. Наприклад, накладання та легке скручування шарів графену формує так званий муар-патерн, здатний надавати матеріалу нові властивості, зокрема надпровідність.
Однак із ускладненням таких структур — зокрема квазікристалів і супермуар-матеріалів — різко зростає й обсяг обчислень. Для моделювання квазікристалів можуть знадобитися понад квадрильйон параметрів, що виходить далеко за межі можливостей сучасних обчислювальних систем.
Квазікристали — це структури, які мають впорядковану, але неперіодичну будову, тобто їхній візерунок не повторюється регулярно, як у звичайних кристалах. Супермуарні матеріали — це багатошарові структури, де кілька муарних візерунків накладаються один на один, утворюючи складніші та масштабніші квантові ефекти.
Проривний підхід до складних систем
Команда кафедри прикладної фізики Aalto University запропонувала новий алгоритм, здатний ефективно працювати з такими масштабами даних. За словами доцента Хосе Ладо, це дослідження демонструє взаємозв’язок розвитку квантових матеріалів і квантових комп’ютерів.
«Ключове те, що ці квантові алгоритми можуть забезпечити розробку квантових матеріалів для створення нових підходів до квантових комп’ютерів, формуючи продуктивний двосторонній зв’язок між квантовими матеріалами та квантовими комп’ютерами», — пояснює він.
Читайте також: Вчені надрукували штучні нейрони, які можуть взаємодіяти з мозком
Ключову роль у цьому підході відіграють тензорні мережі — інструмент, який дозволяє ефективно працювати з дуже великими масивами даних. Це дає змогу аналізувати складні квантові системи й у перспективі може допомогти створити електроніку без втрат енергії, що зменшить тепловиділення в дата-центрах зі штучним інтелектом.
Як працює новий алгоритм
У дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters, команда зосередилася на топологічних квазікристалах — матеріалах із нерівномірно розподіленими квантовими збудженнями. Саме ці збудження забезпечують стабільну провідність, захищаючи її від шумів і перешкод.
Замість прямого моделювання всієї структури вчені використали принципи, подібні до тих, що застосовуються у квантових обчисленнях.
«Квантові комп’ютери працюють в експоненційно великих обчислювальних просторах, тому ми використали спеціальне сімейство алгоритмів для кодування цих просторів, відоме як тензорні мережі, щоб змоделювати квазікристал із понад 268 млн вузлів. Наш алгоритм показує, як колосальні задачі у квантових матеріалах можна безпосередньо розв’язувати завдяки експоненційному прискоренню, яке виникає при кодуванні задачі як квантової багаточастинкової системи», — зазначає провідний автор дослідження Тіаго Антао.
Алгоритм уже протестовано в симуляціях і він показав здатність працювати з системами, які на порядки перевищують можливості традиційних методів.
Крок до практичного застосування
Дослідники вважають, що в майбутньому цей алгоритм можна буде адаптувати для роботи на реальних квантових комп’ютерах.
«Наш метод можна адаптувати для роботи на реальних квантових комп’ютерах, щойно вони досягнуть необхідного масштабу та точності. Зокрема, новий AaltoQ20 та Фінська інфраструктура квантових обчислень можуть відіграти важливу роль у майбутніх демонстраціях», — додає Ладо.
Отримані результати свідчать, що проєктування складних квантових матеріалів може стати одним із перших практичних застосувань квантових алгоритмів. Крім того, робота об’єднує два ключові напрями досліджень у Фінляндії — матеріалознавство та розробку квантових алгоритмів.
Ознайомтеся з іншими популярними матеріалами:
Вчені перетворили електрику на звук через квантовий пристрій
Чи накриє Землю магнітна буря найближчими днями: прогноз
Клімат Європи зміниться сильніше, ніж очікували — учені
За матеріалами scitechdaily.com.
Telegram 
Viber 