Ένας νέος, κβαντικής έμπνευσης αλγόριθμος έλυσε ένα πρόβλημα τόσο τεράστιο, που οι συμβατικοί υπερυπολογιστές δυσκολεύονται ακόμη και να το προσεγγίσουν.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μέθοδο για να προσομοιώσουν εξαιρετικά περίπλοκα κβαντικά υλικά, γνωστά ως ημικρύσταλλοι, ανοίγοντας τον δρόμο για ισχυρές νέες κβαντικές συσκευές και υπερ-αποδοτικά ηλεκτρονικά.
Η εργασία αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν προηγμένα τοπολογικά qubits και υλικά για τους κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος. Οι κβαντικοί υπολογιστές και άλλες προηγμένες κβαντικές τεχνολογίες βασίζονται σε εξειδικευμένα κβαντικά υλικά που συμπεριφέρονται με ασυνήθιστους τρόπους υπό τις κατάλληλες συνθήκες.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι επιστήμονες μπορούν ακόμη και να δημιουργήσουν εντελώς νέες κβαντικές ιδιότητες μεταβάλλοντας προσεκτικά τη δομή ενός υλικού.
Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα περιλαμβάνει τη στοίβαξη φύλλων γραφενίου και την περιστροφή τους σε ένα μοτίβο moiré, γεγονός που μπορεί ξαφνικά να μετατρέψει το υλικό σε υπεραγωγό. Οι ερευνητές μπορούν να διατάξουν αυτά τα στρώματα σε ακόμη πιο περίπλοκες δομές, συμπεριλαμβανομένων των ημικρυστάλλων και των υλικών σούπερ-moiré (super-moiré).
Ωστόσο, η πρόβλεψη της συμπεριφοράς αυτών των εξωτικών υλικών είναι εξαιρετικά δύσκολη. Οι ημικρύσταλλοι είναι τόσο περίπλοκοι μαθηματικά, που η προσομοίωσή τους μπορεί να περιλαμβάνει περισσότερους από ένα τετρακισεκατομμύριο αριθμούς, μια κλίμακα που ξεπερνά κατά πολύ τις δυνατότητες των σημερινών ισχυρότερων υπερυπολογιστών.
Κβαντικός αλγόριθμος επιλύει τεράστιο πρόβλημα υλικών
Επιστήμονες στο Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου Aalto ανέπτυξαν τώρα έναν αλγόριθμο κβαντικής έμπνευσης, ο οποίος είναι ικανός να διαχειριστεί αυτά τα τεράστια, μη περιοδικά κβαντικά υλικά σχεδώς ακαριαία.
Ο Επίκουρος Καθηγητής Jose Lado αναφέρει ότι η εργασία αυτή αναδεικνύει επίσης έναν πολλά υποσχόμενο κύκλο ανατροφοδότησης μέσα στην ίδια την κβαντική τεχνολογία. «Καθοριστικό είναι ότι αυτοί οι νέοι κβαντικοί αλγόριθμοι μπορούν να επιτρέψουν την ανάπτυξη νέων κβαντικών υλικών για την οικοδόμηση νέων μοντέλων κβαντικών υπολογιστών, δημιουργώντας έναν γόνιμο, αμφίδρομο κύκλο ανατροφοδότησης μεταξύ των κβαντικών υλικών και των κβαντικών υπολογιστών», εξηγεί ο ίδιος.
Η πρόοδος αυτή θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει την ανάπτυξη ηλεκτρονικών συστημάτων χωρίς απώλειες (dissipationless electronics), τα οποία άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς απώλεια ενέργειας.
Τέτοια συστήματα ενδέχεται να βοηθήσουν στη μείωση των αυξανόμενων απαιτήσεων σε θερμότητα και ενέργεια των κέντρων δεδομένων (data centers) που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη (AI).
Η ερευνητική ομάδα είχε ως επικεφαλής τον Lado και περιλάμβανε τον διδακτορικό ερευνητή Tiago Antão, ο οποίος ήταν και ο κύριος συγγραφέας της εργασίας, τον διδακτορικό ερευνητή του QDOC Yitao Sun, καθώς και τον Ερευνητικό Εταίρο της Ακαδημίας Adolfo Fumega.
Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters ως Επιλογή του Εκδότη (Editor’s Suggestion).
Προσομοίωση τοπολογικών ημικρυστάλλων
Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στους τοπολογικούς ημικρυστάλλους, ασυνήθιστα υλικά που φιλοξενούν αντισυμβατικές κβαντικές διεγέρσεις. Αυτές οι διεγέρσεις είναι ιδιαίτερα πολύτιμες επειδή βοηθούν στην προστασία της ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τον ενοχλητικό θόρυβο και τις παρεμβολές.
Ωστόσο, είναι κατανεμημένες ανομοιογενώς σε ολόκληρη την ήδη εξαιρετικά περίπλοκη δομή ενός ημικρυστάλλου. Αντί να επιχειρήσει να υπολογίσει απευθείας την πλήρη δομή του υλικού, η ομάδα επαναδιατύπωσε την πρόκληση χρησιμοποιώντας μεθόδους παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούν οι κβαντικοί υπολογιστές.
«Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν σε εκθετικά μεγάλους υπολογιστικούς χώρους. Έτσι, χρησιμοποιήσαμε μια ειδική οικογένεια αλγορίθμων για την κωδικοποίηση αυτών των χώρων, γνωστή ως δικτυώματα τανυστών (tensor networks), προκειμένου να υπολογίσουμε έναν ημικρύσταλλο με περισσότερες από 268 εκατομμύρια θέσεις.
Ο αλγόριθμός μας δείχνει πώς κολοσσιαία προβλήματα στα κβαντικά υλικά μπορούν να επιλυθούν απευθείας με την εκθετική επιτάχυνση που προσφέρει η κωδικοποίηση του προβλήματος ως κβαντικού συστήματος πολλών σωμάτων», λέει ο Antão.
Σε αυτό το στάδιο, η εργασία παραμένει θεωρητική και πραγματοποιήθηκε μέσω προσομοιώσεων, αλλά οι ερευνητές αναφέρουν ότι οι πειραματικές δοκιμές και οι μελλοντικές εφαρμογές βρίσκονται ήδη στον ορίζοντα.
«Ο κβαντικής έμπνευσης αλγόριθμος που παρουσιάσαμε μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε ημικρυστάλλους σούπερ-moiré αρκετές τάξεις μεγέθους πάνω από τις δυνατότητες των συμβατικών μεθόδων. Αυτό είναι ένα καθοριστικό βήμα, για παράδειγμα, προς τον σχεδιασμό τοπολογικών qubits με υλικά σούπερ-moiré για χρήση σε κβαντικούς υπολογιστές», λέει ο Lado.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η μελέτη και ο σχεδιασμός εξωτικών κβαντικών υλικών ενδέχεται να αποτελέσουν μία από τις πρώτες πρακτικές εφαρμογές για τους κβαντικούς αλγορίθμους και τα συστήματα κβαντικής υπολογιστικής. Το έργο αυτό φέρνει επίσης κοντά δύο σημαντικούς τομείς της φινλανδικής κβαντικής έρευνας: τα κβαντικά υλικά και τους κβαντικούς αλγορίθμους.
Αποτελεί μέρος της επιχορήγησης ERC Consolidator «ULTRATWISTRONICS» του Lado, η οποία επικεντρώνεται στον σχεδιασμό τοπολογικών qubits με τη χρήση υλικών van der Waals, καθώς και του Κέντρου Αριστείας στα Κβαντικά Υλικά «QMAT», στόχος του οποίου είναι η προώθηση των κβαντικών τεχνολογιών του μέλλοντος.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου