Un nou algoritm cuantic, dezvoltat de fizicienii de la Universitatea Aalto și publicat în Physical Review Letters, a reușit să rezolve în doar câteva secunde o simulare a materialelor considerată anterior „imposibilă” pentru supercomputerele convenționale. Această nouă metodă le-a permis cercetătorilor să simuleze materiale cuantice extrem de complexe, cunoscute sub numele de cuasicristale. Este o reușită uriașă care deschide calea către dispozitive cuantice mult mai puternice și componente electronice ultra-eficiente, ajutând totodată oamenii de știință să proiecteze qubiți topologici avansați și materiale de ultimă generație pentru computerele cuantice ale viitorului.
Impactul direct al acestei descoperiri nu este doar teoretic: înțelegerea acestor structuri va permite crearea de componente electronice fără pierderi termice, o inovație critică pentru a susține consumul uriaș de energie al centrelor de date care rulează sisteme de inteligență artificială.
Computerele cuantice, alături de alte tehnologii avansate din acest domeniu, se bazează pe materiale cuantice specializate care, în condițiile potrivite, se comportă în moduri de-a dreptul neobișnuite. Uneori, oamenii de știință pot crea proprietăți cuantice complet noi doar modificând cu atenție structura unui material. Un exemplu fascinant implică stivuirea unor foi de grafen și răsucirea lor într-un model moiré, o simplă mișcare care poate transforma brusc materialul într-un superconductor.
De ce simularea materialelor cuantice blochează supercomputerele actuale?
Cercetătorii pot merge chiar mai departe, aranjând aceste straturi în structuri și mai complicate, cum ar fi cuasicristalele și materialele super-moiré. Spre deosebire de cristalele obișnuite (precum sarea sau cuarțul) care au modele repetitive, cuasicristalele posedă o structură ordonată, dar care nu se repetă niciodată. Această complexitate matematică neperiodică implică procesarea a peste un cvadrilion de variabile, blocând sistemele clasice de calcul.
Totuși, există o problemă uriașă: prezicerea modului în care se vor comporta aceste materiale exotice este un adevărat coșmar. Cuasicristalele sunt atât de complexe din punct de vedere matematic încât simularea lor poate implica procesarea a peste un cvadrilion de numere – o scară care depășește cu mult capacitatea celor mai puternice supercomputere disponibile astăzi.
Aici intervine descoperirea făcută de oamenii de știință de la Departamentul de Fizică Aplicată al Universității Aalto. Aceștia au dezvoltat un algoritm inspirat din cuantică ce este capabil să gestioneze aceste materiale cuantice neperiodice enorme aproape instantaneu. Profesorul asistent Jose Lado, care a condus echipa de cercetare, subliniază că această muncă scoate la iveală un ciclu de feedback incredibil de promițător chiar în inima tehnologiei cuantice.
„În mod crucial, acești noi algoritmi cuantici pot permite dezvoltarea de noi materiale cuantice pentru a construi noi paradigme ale computerelor cuantice, creând o buclă de feedback bidirecțională productivă între materialele cuantice și computerele cuantice”, explică el, citat de Science Daily.
Mai mult, acest progres ar putea sprijini în cele din urmă dezvoltarea electronicii fără disipare – o tehnologie capabilă să conducă electricitatea fără absolut nicio pierdere de energie. Pe o planetă dependentă de tehnologie, astfel de sisteme pot juca un rol vital în reducerea cererii uriașe de căldură și energie a centrelor de date bazate pe inteligență artificială (IA).
Echipa din spatele acestei reușite, condusă de Lado, i-a inclus pe cercetătorul doctorand Tiago Antão (autorul principal al articolului), cercetătorul doctorand QDOC Yitao Sun și cercetătorul academician Adolfo Fumega. Descoperirile lor au ajuns recent în prestigioasa revistă Physical Review Letters, primind distincția de sugestie a editorului.
Secretul din spatele cuasicristalelor topologice
Cercetătorii și-au concentrat atenția pe cuasicristalele topologice, materiale complet neobișnuite care găzduiesc excitații cuantice neconvenționale. De ce sunt atât de valoroase? Aceste excitații ajută la protejarea conductivității electrice împotriva zgomotului perturbator și a interferențelor. Partea dificilă este că ele sunt distribuite inegal în structura deja extrem de complexă a unui cuasicristal.
În loc să se lovească de un zid încercând să calculeze direct structura completă a materialului, echipa a abordat problema dintr-un unghi diferit: au reformulat provocarea folosind metode similare celor utilizate chiar de computerele cuantice.
„Computerele cuantice funcționează în spații de calcul exponențial de mari, așa că am folosit o familie specială de algoritmi pentru a codifica acele spații, cunoscute sub numele de rețele tensoriale, pentru a calcula un cuasicristal cu peste 268 de milioane de site-uri. Algoritmul nostru arată cum problemele colosale din domeniul materialelor cuantice pot fi rezolvate direct cu o accelerare exponențială care provine din codificarea problemei ca sistem cuantic cu multe corpuri”, spune Antão.
O privire spre viitorul aplicațiilor practice
Deși în această etapă lucrarea este teoretică și a fost realizată exclusiv prin simulări, cercetătorii sunt optimiști și spun că testele experimentale, precum și aplicațiile viitoare, se conturează deja la orizont.
„Algoritmul inspirat de cuantică pe care l-am demonstrat ne permite să creăm cuasicristale super-moiré cu câteva ordine de mărime peste capacitățile metodelor convenționale. Acesta este un pas esențial către proiectarea de qubiți topologici cu materiale super-moiré pentru utilizare în calculatoarele cuantice, de exemplu”, spune Lado.
Potrivit acestuia, algoritmul nu se va opri la stadiul teoretic; el ar putea fi adaptat pentru a rula pe calculatoare cuantice reale imediat ce hardware-ul va deveni suficient de avansat.
„Metoda noastră poate fi adaptată pentru a rula pe computere cuantice reale, odată ce acestea vor atinge scara și fidelitatea necesare. În special, noul AaltoQ20 și Infrastructura finlandeză de calcul cuantic pot juca un rol semnificativ pentru demonstrațiile viitoare”, spune Lado.
Aceste descoperiri sugerează clar că studierea și proiectarea materialelor cuantice exotice ar putea deveni în curând una dintre primele aplicații practice majore pentru algoritmii cuantici și sistemele de calcul cuantic.
Ca o dovadă a colaborării științifice de top, proiectul reunește două domenii majore ale cercetării cuantice finlandeze: materialele cuantice și algoritmii cuantici. Această cercetare face parte din grantul ERC Consolidator obținut de Lado, denumit ULTRATWISTROICS (axat pe proiectarea de qubiți topologici folosind materiale van der Waals), dar și din inițiativele Centrului de Excelență în Materiale Cuantice QMAT, al cărui obiectiv principal este promovarea tehnologiilor cuantice ale viitorului.
Pe termen scurt, implementarea acestui algoritm cuantic creează un ciclu tehnologic perfect: simulările ultra-rapide permit descoperirea de noi materiale exotice, care la rândul lor vor deveni fundația fizică pentru viitoarele generații de calculatoare.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Cum poate fi transformat ADN-ul într-un dispozitiv de stocare a datelor care consumă de 100 de ori mai puțină energie
Oamenii de știință explică de ce mersul devine mai greu odată cu vârsta
Remediul împotriva căderii părului s-ar putea ascunde în interiorul organismului, iar cercetătorii încearcă să-l descopere
Iubitorii de dulciuri aleg recompensa imediată; motivul ar putea fi altul decât impulsivitatea
