Os computadores quânticos e outras tecnologias quânticas avançadas dependem de materiais quânticos especiais que se comportam de maneira incomum nas condições certas. Em alguns casos, os cientistas podem até criar propriedades quânticas completamente novas, alterando cuidadosamente a estrutura de um material. Um exemplo interessante envolve empilhar folhas de grafeno e torcê-las em um padrão moiré, que pode transformar subitamente o material em um supercondutor.
Os pesquisadores podem organizar essas camadas em estruturas mais complexas, incluindo quasicristais e materiais de supermatriz. Mas prever como estas substâncias exóticas se comportarão é extraordinariamente difícil. Os quasicristais são tão matematicamente complexos que simulá-los pode envolver mais do que uma quadratura, uma escala além do alcance dos supercomputadores mais poderosos da atualidade.
Algoritmos quânticos resolvem problemas de matéria massiva
Cientistas do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Aalto desenvolveram agora um algoritmo de inspiração quântica capaz de lidar com esses enormes elementos quânticos não periódicos quase instantaneamente. O professor assistente José Lado disse que o trabalho destaca um ciclo de feedback promissor dentro da própria tecnologia quântica.
“É importante ressaltar que esses novos algoritmos quânticos podem permitir o desenvolvimento de novos materiais quânticos para criar novos paradigmas de computadores quânticos, criando um ciclo produtivo de feedback bidirecional entre materiais quânticos e computadores quânticos”, explica ele.
O avanço poderia eventualmente apoiar o desenvolvimento de produtos eletrônicos sem desperdício, que conduzem eletricidade sem desperdiçar energia. Esses sistemas podem ajudar a reduzir as crescentes demandas de calor e energia dos data centers alimentados por IA.
A equipa de investigação foi liderada por Lado e incluiu o investigador doutorado Tiago Antão, que foi autor principal do artigo; pesquisador de doutorado do QDOC, Yitao Sun; e o pesquisador da Academia Adolfo Fumega. Seus resultados foram publicados recentemente Carta de revisão física Conforme sugerido por um editor.
Simulação de quasicristais topológicos
Os pesquisadores se concentraram em quasicristais topológicos, materiais incomuns que hospedam excitações quânticas não convencionais. Essas excitações são particularmente valiosas porque ajudam a proteger a condutividade elétrica contra interferências e ruídos perturbadores. No entanto, eles estão distribuídos de forma desigual pela já altamente complexa estrutura de um quasicristal.
Em vez de tentar calcular diretamente toda a estrutura do material, a equipe reformulou o desafio usando métodos semelhantes aos usados pelos computadores quânticos.
“Os computadores quânticos operam em espaços computacionais exponencialmente grandes, por isso usamos uma família especial de algoritmos para codificar esses espaços para calcular um quasicristal com mais de 268 milhões de locais, conhecidos como redes tensores. Sistemas de muitos corpos”, disse Anto.
Nesta fase, o trabalho permanece teórico e foi feito através de simulações, mas os investigadores afirmam que testes experimentais e aplicações futuras já estão a surgir.
“O algoritmo de inspiração quântica que demonstramos nos permite fabricar quasicristais supermáuricos de dimensões muito maiores do que os métodos tradicionais são capazes. Este é um passo importante para projetar qubits topológicos com elementos supermáuricos para uso em computadores quânticos, por exemplo, “disse Lado.
Rumo a aplicações práticas de computação quântica
Segundo Lado, o algoritmo poderá eventualmente ser adaptado para funcionar em um computador quântico real, uma vez que o hardware esteja suficientemente avançado.
“Nosso método pode ser adaptado para funcionar em computadores quânticos reais, uma vez que atinjam a escala e a fidelidade necessárias. Em particular, o novo AaltoQ20 e a infraestrutura de computação quântica finlandesa podem desempenhar um papel importante em demonstrações futuras”, disse Lado.
Os resultados sugerem que estudar e projetar materiais quânticos exóticos pode se tornar uma das primeiras aplicações práticas para algoritmos quânticos e sistemas de computação quântica.
O projeto combina duas áreas principais da pesquisa quântica finlandesa: materiais quânticos e algoritmos quânticos. Faz parte da concessão consolidadora ERC de Lado ULTRATWISTROICS, que se concentra no projeto de qubits topológicos usando materiais van der Waals, bem como do Centro de Excelência em Materiais Quânticos QMAT, que visa avançar futuras tecnologias quânticas.
