量子電腦和其他先進的量子技術依賴特殊的量子材料，這些材料在適當的條件下會以不尋常的方式表現出來。在某些情況下，科學家甚至可以透過仔細修改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；這可能會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，包括準晶體和超莫爾材料。但預測這些奇異材料的行為卻異常困難。準晶體在數學上非常複雜，模擬它們需要超過千萬億的數字，這個規模超出了當今最強大的超級電腦的能力範圍。
量子演算法解決了巨大的材料問題
阿爾託大學應用物理系的科學家開發了一種受量子啟發的演算法，能夠幾乎瞬時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，這項研究也強調了量子技術本身內部一個有前途的反饋循環。
「最重要的是，這些新的量子演算法可以促進新量子材料的開發，從而創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有效的雙向回饋迴路，」他解釋道。
這項進步最終可能支持無能源電子產品的發展，而這些電子產品可以在不損失能量的情況下導電。此類系統可以幫助減少人工智慧驅動的資料中心日益增長的熱量和能源需求。
該研究小組由 Lado 和博士研究員 Tiago Antão 領導，Tiago Antão 是該論文的主要作者； QDOC博士研究員孫一濤；和學院研究員阿道夫·富梅加。他們的研究結果最近發表 體檢信 作為編輯的推薦。
拓樸準晶體的模擬
研究人員專注於拓樸準晶體，這是一種具有不尋常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性免受惱人的噪音和乾擾。然而，它們在已經相當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精確結構，而是使用類似於量子電腦所使用的方法重新制定了挑戰。
「量子電腦在指數級大的計算域上運行，因此我們使用了一系列特殊的演算法來編碼這些域，稱為張量網絡，來計算具有超過 2.68 億個域的準晶體。我們的演算法展示瞭如何透過將問題編碼為量子多體系統所產生的指數加速來直接解決量子材料中的巨大問題，」Antão 說。
現階段，這項工作仍停留在理論階段，並透過模擬進行，但研究人員表示，實驗測試和未來的應用已經在望。
「我們展示的受量子啟發的演算法使我們能夠創建超莫爾準晶體，其能力比傳統方法高出幾個數量級。例如，這是設計用於量子電腦的超莫爾材料拓撲量子位元的重要一步，」Lado 說。
邁向實用的量子計算應用
根據拉多的說法，一旦硬體變得足夠先進，該演算法最終可以適應在真正的量子電腦上運行。
「一旦真正的量子電腦達到所需的規模和保真度，我們的方法就可以在它們上運行。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，研究和設計奇異的量子材料可能是量子演算法和量子計算系統最早的實際應用之一。
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。它是 Lado 的 ERC Consolidator 補助 ULTRATWISTROICS 的一部分，該專案專注於使用范德華材料設計拓撲量子位，以及 QMAT（量子材料卓越中心）的一部分，其目標是推進未來的量子技術。
