Рекордный квантовый симулятор может открыть доступ к новым материалам.

Массив из 15 000 кубитов, изготовленных из фосфора и кремния, представляет собой беспрецедентно большую платформу для моделирования квантовых материалов, таких как идеальные проводники электричества.

Беспрецедентно большой квантовый симулятор мог бы пролить свет на то, как работают экзотические, потенциально полезные квантовые материалы, и помочь нам оптимизировать их в будущем.

Квантовые компьютеры в конечном итоге могут использовать квантовые явления для выполнения вычислений, недоступных для лучших в мире обычных компьютеров. Аналогичным образом, симулятор, использующий квантовые явления, может помочь исследователям точно моделировать малоизученные материалы или молекулы.

Реклама

Это особенно верно для таких материалов, как сверхпроводники, которые проводят электричество с почти идеальной эффективностью, поскольку это свойство обусловлено квантовыми эффектами, которые можно было бы непосредственно реализовать в квантовых симуляторах, но для обычных устройств потребовалось бы больше этапов математического преобразования.

Мишель Симмонс из компании Silicon Quantum Computing в Австралии и ее коллеги создали самый большой на сегодняшний день квантовый симулятор квантовых материалов, получивший название Quantum Twins. «Масштаб и управляемость, которых мы достигли с помощью этих симуляторов, позволяют нам решать очень интересные задачи», — говорит она. «Мы разрабатываем новые материалы ранее немыслимыми способами, буквально создавая их аналоги атом за атомом».

Исследователи создали несколько симуляторов, внедрив атомы фосфора в кремниевые чипы. Каждый атом стал квантовым битом, или кубитом, который является основным строительным блоком квантовых компьютеров и симуляторов, и команда смогла точно расположить кубиты в различных сетках, имитирующих расположение атомов в реальных материалах. Каждая итерация Quantum Twins состояла из квадратной сетки из 15 000 кубитов — больше, чем в любом предыдущем квантовом симуляторе. Подобные массивы кубитов ранее создавались, например, из нескольких тысяч чрезвычайно холодных атомов.

Благодаря этому процессу формирования рисунка и добавлению электронных компонентов к каждому чипу исследователи также контролировали свойства электронов в чипе. Это имитировало управление электронами в моделируемых материалах, что имеет решающее значение для понимания, например, потока электричества внутри них. Например, исследователи могли регулировать сложность добавления электрона в любую точку сетки или сложность «перескока» электрона между двумя точками.

Симмонс говорит, что обычные компьютеры с трудом справляются с моделированием больших двумерных систем, а также определенных комбинаций свойств электронов, но симуляторы Quantum Twins показали свою перспективность в этих случаях. Она и ее команда протестировали свои чипы, смоделировав переход между металлическим (или проводящим) и изоляционным поведением известной математической модели того, как «загрязнение» в материале может влиять на его способность поддерживать электрический ток. Они также измерили «коэффициент Холла» системы в зависимости от температуры, который отражает поведение моделируемого материала при воздействии магнитных полей.

По словам Симмонса, размеры устройств, использованных в эксперименте, и способность команды контролировать переменные означают, что симуляторы Quantum Twins могут в дальнейшем заняться изучением нетрадиционных сверхпроводников. Принцип работы обычных сверхпроводников на уровне электронов относительно хорошо изучен, но для достижения сверхпроводимости их необходимо сильно охлаждать или подвергать огромному давлению, что непрактично. Некоторые сверхпроводники могут работать в более мягких условиях, но для их работы при комнатной температуре и давлении исследователям необходимо изучить их на микроскопическом уровне — именно такое понимание могут предложить квантовые симуляторы в будущем.

Кроме того, по словам Симмонса, квантовые двойники можно использовать для изучения интерфейсов между различными металлами и молекулами, подобными полиацетилену, что может быть полезно для разработки лекарств или устройств искусственного фотосинтеза.

Природа DOI: 10.1038/s41586-025-10053-7

Источник: www.newscientist.com