量子電腦和其他先進的量子技術是基於特殊的量子材料，這些材料在適當的條件下會表現出不尋常的行為。在某些情況下，科學家甚至可以透過仔細改變材料的結構來創造全新的量子特性。一個引人注目的例子是堆疊石墨烯片並將它們扭曲成莫爾圖案，這可以突然將材料變成超導體。
研究人員可以將這些層排列成更複雜的結構，包括準晶體和超級莫爾材料。但預測這些奇異材料的性能非常困難。準晶體在數學上非常複雜，模擬它們可能涉及超過千萬億的數字，其規模遠遠超出了當今最強大的超級電腦的能力範圍。
量子演算法解決海量材料問題
阿爾託大學應用物理系的科學家們開發了一種量子演算法，能夠幾乎立即處理這些巨大的非週期性量子材料。助理教授何塞·拉多（Jose Lado）表示，這項工作也凸顯了量子技術本身內部一個有前途的反饋循環。
「至關重要的是，這些新的量子演算法可以促進新量子材料的開發，從而構建量子電腦的新範例，從而在量子材料和量子電腦之間創建富有成效的雙向反饋迴路，」他解釋道。
這項突破最終可能有助於開發無耗散電子產品，這種電子產品可以在沒有能量損失的情況下導電。此類系統可以幫助減少人工智慧驅動的資料中心不斷增加的熱量和電力需求。
該研究小組由Lado領導，博士研究員Tiago Antão為論文的主要作者； QDOC博士研究員孫一濤；和阿道夫·富梅加學院研究員。他們的研究結果最近發表 體檢信 作為編輯的建議。
模擬拓樸準晶體
研究人員專注於拓樸準晶體，這是一種具有非常規量子激發的不尋常材料。這些激勵特別有價值，因為它們有助於保護導電免受噪音和有害幹擾。然而，它們在已經非常複雜的準晶體結構中分佈不均勻。
團隊沒有嘗試直接計算材料的整個結構，而是使用類似於量子電腦所使用的方法重新建構了挑戰。
「量子電腦在指數級大的計算空間中工作，因此我們使用了一系列特殊的演算法對這些空間（稱為張量晶格）進行編碼，以計算具有超過 2.68 億個位點的準晶體。我們的演算法展示瞭如何以物體來自量子系統的指數速度直接解決量子材料的巨大問題。
現階段，這項工作仍處於理論階段，並已透過模擬完成，但研究人員表示，他們已經在研究實驗測試和未來的應用。
「我們發明的受量子啟發的演算法使我們能夠創造出超越傳統方法能力的超莫爾準晶體。例如，在設計用於量子電腦的超莫爾材料拓撲量子位元方面，這是一個重要的步驟，」Lado 說。
邁向量子計算的實際應用
Lado 表示，一旦硬體足夠先進，演算法就可以適應在真正的量子電腦上運作。
「當真正的量子電腦達到必要的規模和保真度時，我們的方法可以適應在它們上運行。特別是，新的 AaltoQ20 和芬蘭量子計算基礎設施可以在未來的演示中發揮重要作用，」Lado 說。
研究結果表明，奇異量子材料的研究和設計可能是量子演算法和量子計算系統最實際的應用之一。
該計畫也匯集了芬蘭量子研究的兩個主要領域：量子材料和量子演算法。 Lado 的 ERC Consolidator 授予 ULTRATWISTROICS（專注於使用范德華材料設計拓撲量子位元）以及量子材料卓越中心 QMAT（旨在推進未來量子技術）。
