Las computadoras cuánticas y otras tecnologías cuánticas avanzadas se basan en materiales cuánticos especiales que se comportan de maneras inusuales en las condiciones adecuadas. En algunos casos, los científicos pueden incluso crear propiedades cuánticas completamente nuevas cambiando cuidadosamente la estructura de un material. Un ejemplo interesante consiste en apilar láminas de grafeno y torcerlas formando un patrón muaré, lo que de repente puede convertir el material en un superconductor.
Los investigadores pueden organizar estas capas en estructuras más complejas, incluidos cuasicristales y materiales de supermatriz. Pero predecir cómo se comportarán estas sustancias exóticas es extraordinariamente difícil. Los cuasicristales son tan complejos matemáticamente que simularlos puede implicar más de una cuadratura, una escala más allá del alcance de las supercomputadoras más poderosas de la actualidad.
Los algoritmos cuánticos resuelven problemas de materia masiva
Los científicos del Departamento de Física Aplicada de la Universidad Aalto han desarrollado un algoritmo de inspiración cuántica capaz de manejar estos elementos cuánticos masivos no periódicos casi instantáneamente. El profesor asistente José Lado dijo que el trabajo destaca un circuito de retroalimentación prometedor dentro de la propia tecnología cuántica.
“Es importante destacar que estos nuevos algoritmos cuánticos pueden permitir el desarrollo de nuevos materiales cuánticos para crear nuevos paradigmas de computadoras cuánticas, creando un circuito de retroalimentación bidireccional productivo entre los materiales cuánticos y las computadoras cuánticas”, explica.
El avance podría eventualmente apoyar el desarrollo de dispositivos electrónicos que no desperdicien energía, y que conduzcan electricidad sin desperdiciar energía. Estos sistemas pueden ayudar a reducir las crecientes demandas de calor y energía de los centros de datos impulsados por IA.
El equipo de investigación estuvo dirigido por Lado e incluyó al investigador de doctorado Tiago Antao, quien fue el autor principal del artículo; el investigador doctoral del QDOC, Yitao Sun; y el investigador de la Academia Adolfo Fumega. Sus resultados fueron publicados recientemente. carta de revisión física Según lo sugerido por un editor.
Simulación de cuasicristales topológicos.
Los investigadores se centraron en los cuasicristales topológicos, materiales inusuales que albergan excitaciones cuánticas no convencionales. Estas excitaciones son particularmente valiosas porque ayudan a proteger la conductividad eléctrica del ruido y las interferencias disruptivas. Sin embargo, están distribuidos de manera desigual en la ya muy compleja estructura de un cuasicristal.
En lugar de intentar calcular directamente toda la estructura del material, el equipo reformuló el desafío utilizando métodos similares a los utilizados por las computadoras cuánticas.
“Las computadoras cuánticas operan en espacios computacionales exponencialmente grandes, por lo que utilizamos una familia especial de algoritmos para codificar esos espacios para calcular un cuasicristal con más de 268 millones de sitios, conocidos como redes tensoriales. Sistemas de muchos cuerpos”, dijo Anto.
En esta etapa, el trabajo sigue siendo teórico y se realizó mediante simulaciones, pero los investigadores dicen que ya están surgiendo pruebas experimentales y aplicaciones futuras.
“El algoritmo de inspiración cuántica que demostramos nos permite fabricar cuasicristales supermáuricos de dimensiones mucho más altas de lo que son capaces los métodos tradicionales. Este es un paso importante hacia el diseño de qubits topológicos con elementos supermáuricos para su uso en computadoras cuánticas, por ejemplo”, dijo Lado.
Hacia aplicaciones prácticas de la computación cuántica
Según Lado, el algoritmo podría eventualmente adaptarse para funcionar en una computadora cuántica real una vez que el hardware esté lo suficientemente avanzado.
“Nuestro método puede adaptarse para ejecutarse en ordenadores cuánticos reales, una vez que alcancen la escala y la fidelidad necesarias. En particular, el nuevo AaltoQ20 y la infraestructura de computación cuántica finlandesa pueden desempeñar un papel importante en futuras demostraciones”, afirmó Lado.
Los resultados sugieren que el estudio y diseño de materiales cuánticos exóticos podría convertirse en una de las primeras aplicaciones prácticas de los algoritmos cuánticos y los sistemas de computación cuántica.
El proyecto combina dos áreas principales de la investigación cuántica finlandesa: materiales cuánticos y algoritmos cuánticos. Es parte de la subvención de consolidación ERC de Lado ULTRATWISTROICS, que se centra en el diseño de qubits topológicos utilizando materiales de van der Waals, así como del Centro de Excelencia en Materiales Cuánticos QMAT, cuyo objetivo es avanzar en futuras tecnologías cuánticas.
