Nowy komputer kwantowy zmierza ku wyjaśnieniu nadprzewodnictwa

Badacze w firmie komputerów kwantowych Quantinuum użyli nowego komputera kwantowego Helios-1 do symulowania modelu matematycznego, który od dawna służy do badania nadprzewodnictwa. Te symulacje nie są poza zasięgiem dla komputerów konwencjonalnych, ale ten postęp stawia kwantowe komputery w roli przydatnych narzędzi do nauki naukowych materiałów.

Nadprzewodniki przewodzą prąd z doskonałą wydajnością, ale obecnie działają tylko w temperaturach zbyt niskich, aby były praktyczne. Od dziesięcioleci fizycy starają się zrozumieć, jak zmodyfikować ich strukturę, aby mogły działać w temperaturze pokojowej, a wielu uważa, że odpowiedzi przyjdą z matematycznego modelu zwanego modelem Fermiego-Hubbarda. To sprawia, że jest to jeden z najważniejszych modeli we wszystkich fizykach materii skondensowanej, mówi Henrik Dreyer z Quantinuum.

Standardowe komputery mogą przeprowadzać wyjątkowe symulacje modelu Fermi-Hubbarda, ale mają trudności z bardzo dużymi próbkami lub przypadkami, w których opisywane przez nie materiały zmieniają się w czasie. Kwantowe komputery mają szansę kiedyś działać lepiej. Teraz Dreyer i jego koledzy przeprowadzili dotychczas największą symulację modelu Fermi-Hubbarda na komputerze kwantowym.

Użyli Helios-1, który ma 98 kubitów złożonych z jonów baru, z których każdy jest kontrolowany laserami i polami elektromagnetycznymi. Aby przeprowadzić symulację, badacze manipulowali kubitami poprzez sekwencję stanów kwantowych, a następnie odczytywali wynik, mierząc ich właściwości. Ich symulacje obejmowały 36 cząsteczek zwanych fermionami, które są dokładnie tymi samymi cząstkami, które występują w realnych nadprzewodnikach i które są matematycznie opisywane przez model Fermi-Hubbarda.

Aby nadprzewodnik działał, fermiony muszą się łączyć w pary, a eksperymenty wykazały, że takie łączenie czasami można zainicjować uderzeniem materiału laserem. Zespół Quantinuum zasymulował ten scenariusz – uderzyli w swoje kubity pulsami laserowymi, a następnie zmierzyli rezultujące stany, znajdując oznaki łączenia zasymulowanych cząsteczek. Symulacja nie dokładnie powtarzała eksperymenty, ale uchwyciła proces dynamiczny, co jest trudne dla standardowych metod komputerowych, gdy dotyczy to więcej niż kilku cząsteczek.

Dreyer twierdzi, że nowy eksperyment nie stanowi rygorystycznego dowodu na przewagę Helios-1 nad wszelkimi możliwymi tradycyjnymi podejściami komputerowymi, ale eksploracja klasycznych metod symulacji przekonała jego zespół, że kwantowy komputer może konkurować. „Dla metod, które testowaliśmy, było niemożliwe uzyskanie niezawodnie tych samych wyników, patrzyliśmy na kilka godzin na komputer kwantowy i duże pytanie na potrzeby klasycznego podejścia”, mówi. Innymi słowy, oszacowania zespołu dotyczące czasów obliczeń klasycznych były o wiele dłuższe, więc było trudno określić, kiedy byłyby porównywalne z pracą Heliosa.

Inne komputery kwantowe jeszcze nie zajęły się symulacjami łączenia fermionów w celu osiągnięcia nadprzewodnictwa, a zespół przypisuje swój sukces sprzętowi Helios. David Hayes, także w Quantinuum, mówi, że kubity Helios są wyjątkowo niezawodne i wyróżniają się w testach benchmarkingowych powszechnych dla przemysłu komputerów kwantowych. W wstępnych testach mogło ono również przeprowadzać eksperymenty z kubitami odpornymi na błędy, łącząc 94 z tych specjalnych kubitów poprzez splątanie kwantowe, co stanowi rekord we wszystkich komputerach kwantowych. Wykorzystanie takich kubitów w przyszłych symulacjach może uczynić je dokładniejszymi.

Eduardo Ibarra García Padilla z Harvey Mudd College w Kalifornii mówi, że nowe wyniki są obiecujące, ale wciąż potrzebują ostrożnie porównania z najnowocześniejszymi symulacjami klasycznymi komputerów. Mówi, że model Fermi-Hubbarda był przedmiotem zainteresowania fizyków od lat 60., więc ekscytujące jest posiadanie nowego narzędzia do jego badania.

Dokładnie kiedy podejścia takie jak te używane z Helios-1 staną się prawdziwą konkurencją dla najlepszych komputerów konwencjonalnych, pozostaje dla wszystkich nieznane, ponieważ wiele szczegółów musi być jeszcze dopracowanych, mówi Steve White z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine. Na przykład mówi, że istnieją wyzwania związane z upewnieniem się, że symulacja komputera kwantowego rozpocznie się od właściwego zestawu właściwości kubitów. Niemniej jednak White mówi, że symulacje kwantowe mogą stać się uzupełnieniem do klasycznych, zwłaszcza w przypadku dynamicznego lub zmieniającego się zachowania w materii.

„Stają się użytecznymi narzędziami symulacyjnymi w fizyce materii skondensowanej,” mówi. „Ale są wciąż we wczesnych stadiach, wciąż są bariery obliczeniowe, które muszą być pokonane.”

Odniesienie: arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2511.02125