Долгое время моделирование квантовых материалов упиралось в вычислительный потолок. Когда исследователи пытались обсчитать квазикристаллы — структуры, обладающие порядком, но лишенные периодичности обычных кристаллов, — математическая сложность росла экспоненциально. Даже мощнейшие суперкомпьютеры захлебывались, пытаясь обработать квадриллионы чисел. По сути, поиск новых материалов напоминал азартную игру с запредельными ставками, а не осмысленное проектирование. Группа ученых из Университета Аалто под руководством доцента Хосе Ладо решила эту «невозможную» задачу, представив квантово-вдохновленный алгоритм, который сворачивает расчеты до линейных и выдает результат за секунды.
Технический прорыв
Фундаментальная проблема квазикристаллов и супер-муаровых материалов вроде скрученного графена заключается в их непериодической природе. В твердотельной физике нельзя использовать привычные «костыли» и сокращения. Ладо и докторант Тиаго Антан предложили сменить парадигму: вместо прямой лобовой атаки на вычисления они внедрили квантово-вдохновленное кодирование. Это позволило моделировать структуры на несколько порядков сложнее тех, что считаются пределом для классических машин. На выходе инженеры получают карту нетрадиционных квантовых возбуждений. Именно они отвечают за защиту электропроводности от шумов и помех, что критически важно для создания стабильного «железа».
Инженерия топологических кубитов
Для техлидов и разработчиков оборудования главная ценность метода — в проектировании топологических кубитов. Это фундамент будущих надежных квантовых компьютеров, где материалы обязаны сохранять свои свойства под внешним воздействием. Как отмечает Хосе Ладо, здесь возникает замкнутый цикл: новые алгоритмы позволяют проектировать лучшие материалы, которые, в свою очередь, идут на создание более совершенных квантовых машин. Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, прямо указывает на использование муаровых структур как идеальных «хостов» для таких кубитов.
Алгоритм прокладывает путь к бездиссипативной электронике, способной радикально снизить энергопотребление дата-центров. Метод адаптивен и может быть запущен непосредственно на квантовых процессорах по мере их развития. Время получения инсайтов сократилось с месяцев до секунд, превращая сложные вычисления в рутинный этап R&D.
«Бутылочное горлышко переместилось из дата-центров в чистые зоны полупроводниковых производств», — подчеркивают авторы исследования, указывая на то, что точность алгоритма теперь опережает возможности физического синтеза.
Сейчас материаловедение переживает момент схлопывания дистанции между идеей и проверкой. Главное препятствие теперь — не нехватка мощностей суперкомпьютера, а физическая способность лабораторий синтезировать структуры с той точностью, которую задает алгоритм.