一种新型量子启发算法攻克了一个庞大到连传统超级计算机都甚至难以企及的难题。研究人员利用该方法模拟了被称为准晶体的极度复杂的量子材料，为强大的新型量子器件和超高效电子器件开启了大门。这项工作有望帮助科学家为未来的量子计算机设计先进的拓扑量子比特和材料。
研究人员可以将这些层排列成更复杂的结构，包括准晶体和超摩尔纹材料。但预测这些奇异材料的行为极其困难。准晶体在数学上非常复杂，模拟它们可能涉及超过一千万亿个数字，这一规模远超当今最强大的超级计算机的能力范围。
量子算法解决大规模材料问题
阿尔托大学应用物理系的科学家们现已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性量子材料。助理教授 Jose Lado 表示，这项工作也突显了量子技术本身内部一个充满希望的反馈循环。
“关键在于，这些新的量子算法能够推动新量子材料的开发，以构建新范式的量子计算机，从而在量子材料和量子计算机之间建立起富有成效的双向反馈回路，”他解释道。
这一进展最终可能支持无耗散电子器件的开发，这类器件在导电时没有能量损耗。此类系统可能有助于降低AI驱动数据中心日益增长的散热和能源需求。
该研究团队由 Lado 领导，成员包括担任论文主要作者的博士研究员 Tiago Antão、QDOC 博士研究员 Yitao Sun 以及芬兰科学院研究员 Adolfo Fumega。他们的研究结果最近作为“编辑推荐”发表在《物理评论快报》上。
模拟拓扑准晶体
研究人员专注于拓扑准晶体，这是一种承载着非传统量子激发的罕见材料。这些激发尤其有价值，因为它们有助于保护导电性免受破坏性噪声和干扰的影响。然而，它们在准晶体本身已经高度复杂的结构中分布不均。
研究团队没有试图直接计算材料的完整结构，而是利用类似于量子计算机使用的方法重新表述了这一挑战。
“量子计算机在指数级巨大的计算空间中工作，因此我们使用一类特殊的算法——被称为张量网络——来编码这些空间，从而计算了一个拥有超过2.68亿个格点的准晶体。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带来的指数级加速，直接解决量子材料中的巨大问题，”Antão 说道。
目前阶段，这项工作仍处于理论层面，是通过模拟进行的，但研究人员表示，实验测试和未来应用已初现端倪。
“我们展示的这种受量子启发的算法使我们能够创造出规模比传统方法能力高出几个数量级的超摩尔纹准晶体。例如，这是利用超摩尔纹材料设计用于量子计算机的拓扑量子比特的关键一步，”Lado 说道。
迈向实用的量子计算应用
据 Lado 介绍，一旦硬件足够先进，该算法最终可以经过调整在实际的量子计算机上运行。
“我们的方法可以经过调整在真正的量子计算机上运行，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可以在未来的演示中发挥重要作用，”Lado 说道。
这些研究结果表明，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用应用之一。
该项目还汇集了芬兰量子研究的两大主要领域：量子材料和量子算法。它是 Lado 获得的欧盟研究理事会（ERC）巩固资助项目 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；同时也隶属于量子材料卓越中心 QMAT，该中心的目标是推动未来的量子技术。