Dla całego zamieszania wokół komputerów kwantowych, technologia ta czasem może wydawać się rozwiązaniem poszukującym problemu. Naukowo imponująca, ale jeszcze nieoczywista w realnym świecie. Jednak poszukiwania zastosowań zaczynają przynosić rezultaty – zwłaszcza w kontekście dążenia do egzotycznych materiałów kwantowych, które mogłyby nasilić rozwój nowoczesnej elektroniki oraz jeszcze mocniejszych systemów komputerowych.
Odkrywanie i sondowanie nowych faz – czyli bardziej egzotycznych odpowiedników lodowej lub płynnej fazy wody – stanowi podstawę fizyki materii skondensowanej. To pole pomogło nam zrozumieć półprzewodniki, które sprawiają, że tradycyjne komputery funkcjonują, i w przyszłości może podarować nam praktyczne nadprzewodniki, które przewodziłyby prąd elektryczny z doskonałą wydajnością.
Jednak coraz trudniej jest używać tradycyjnych eksperymentów do badania niektórych bardziej złożonych faz, których istnienie przewiduje teoria. Na przykład teoretyczna struktura zwana modelem miodówki Kitaeva przewiduje istnienie materiałów charakteryzujących się nietypowymi rodzajami magnetyzmu oraz takich, które zawierają nietypowe quasi-cząstki – bytowo podobne byty – znane jako аnyony. „Właściwie to trwa już od dziesięcioleci próba stworzenia tego w rzeczywistych materiałach” – mówi Simon Evered z Uniwersytetu Harvarda.
On i jego koledzy teraz zasymulowali to za pomocą komputera kwantowego, który ma 104 kubity z ekstremalnie zimnymi atomami. I nie są jedynymi badaczami, któ to zrobili. Frank Pollmann z Uniwersytetu Technicznego w Monachium w Niemczech i jego koledzy użyli komputerów kwantowych Google’a, Sycamore i Willow, które posiadają odpowiednio 72 i 105 nadprzewodzących kubitów, do zasymulowania nigdy wcześniej niezauważonego stanu materii, który również wynika z wersji modelu miodówki Kitaeva. Obie grupy opublikowały swoje badania.
„Oba te artykuły wykorzystują komputery kwantowe do badania nowych stanów materii, które do tej pory były jedynie przewidywane teoretycznie, ale nie zrealizowane w eksperymentach” – mówi Petr Zapletal z Uniwersytetu Erlangen-Norymberga w Niemczech, który nie był zaangażowany w żadne z tych badań. „To, co jest ekscytujące, to jak szybko symulacje systemów kwantowych i materii skondensowanej na komputerach kwantowych stają się bardziej zaawansowane”.
Obydwie zespoły badawcze potwierdziły obecność аnyonów w swoich symulacjach. Co samo w sobie pokazuje postęp komputerów kwantowych oraz ich potencjalne zastosowanie, ponieważ аnyony są egzotycznymi cząstkami, które fundamentalnie różnią się od kubitów i dlatego trudno je emulować.
Pozostałe istniejące cząstki należą do dwóch innych kategorii – fermionów i bozonów. Te, które są najbardziej interesujące dla chemików i naukowców zajmujących się materiałami, są typowo fermionami, ale kubity zwykle są bozonami. Różnice między nimi, takie jak ich spin lub zachowanie w dużych grupach, sprawiają, że trudniej jest symulować fermiony, jeśli zaczniemy od bozonów, ale eksperyment z komputerem kwantowym z zimnymi atomami użył modelu Kitaeva do przełamania tej przepaści. Marcin Kalinowski z Uniwersytetu Harvarda, który pracował nad tym eksperymentem, mówi, że użyli modelu Kitaeva jako „płótna” dla nowej fizyki – zaczynając od tego modelu, on i jego koledzy mogli nakłonić quasi-cząstki do pojawienia się w symulacji, dostrojając interakcje między kubity. Być może można byłoby użyć niektórych z tych nowych cząstek do zasymulowania jeszcze nowszych materiałów, mówi Kalinowski.
Eksperyment z komputerami Google’a zawierał jeszcze jedną ważną rzecz. Skoncentrował się na wyciągnięciu zasymulowanego materiału z równowagi – odpowiednik ciągłego wstrząsania go. Fazy materii nierównowagowej są w dużej mierze niezbadane, chociaż mają odpowiedniki w laboratorium, takie jak eksperymenty, gdzie materiał jest ciągle uderzany promieniami laserowymi, mówi Pollmann. W ten sposób praca jego zespołu przypomina sposób, w jaki fizyk materii skondensowanej w laboratorium może wystawić materiał na niskie temperatury lub duże pola magnetyczne, a następnie starać się zdiagnozować, jak zmieniła się jego faza. Takie diagnozy są istotne, ponieważ ostatecznie mogą ujawnić, pod jakimi okolicznościami materiał mógłby zostać użyty.
Aby to wyjaśnić, te eksperymenty nie doprowadzą od razu do czegoś użytecznego. W rzeczywistości, aby osiągnąć realne zastosowania, badacze będą musieli powtórzyć swoje analizy na większych i mniej podatnych na błędy komputerach kwantowych – tego rodzaju, których faktycznie jeszcze nie posiadamy. Ale oba eksperymenty wyznaczają niszę, w której komputery kwantowe mogą eksplorować fizykę i być może prowadzić do odkryć w podobny sposób, jak inne narzędzia eksperymentalne, z których korzystali badacze od dziesięcioleci.
To, że nauki o materiałach mogą być pierwszym miejscem, w którym komputery kwantowe wykażą swoją wartość, nikogo nie zaskakuje. Jest to zgodne z tym, jak o pionierach komputerów kwantowych, takich jak Richard Feynman, mówiono o technologii w latach 80., długo przed tym, jak ktoś wiedział, jak zrobić pojedynczy kubit, nie mówiąc już o dziesiątkach. I jest to zdecydowanie inne podejście niż to, jak zwykle przedstawia się komputery kwantowe, gdzie nacisk kładzie się na eksperymenty, które pokazują, że komputery kwantowe przewyższają komputery klasyczne w zadaniach niezwiązanych z praktycznymi zastosowaniami.
„Wartość rozwoju komputerów kwantowych jako podejścia do nauki, a nie tylko z perspektywy wydajności poszczególnych urządzeń, jest niezaprzeczalna w tego rodzaju eksperymentach” – mówi Kalinowski.
