Хелиос-1: Нови квантни рачунар је на путу да открије суправодљивост

Истраживачи из компаније за квантно рачунарство Куантинуум користили су нови квантни рачунар Хелиос-1 да симулирају математички модел који се дуго користи за проучавање суправодљивости. Ове симулације нису ван домашаја конвенционалних рачунара, али овај напредак поставља сцену да квантни рачунари постану корисни алати за науку о материјалима.

Суперпроводници проводе електричну енергију са савршеном ефикасношћу, али тренутно раде само на температурама прениским да би биле практичне. Деценијама, физичари покушавају да схвате како да подесе своју структуру да би радили на собној температури, а многи верују да ће одговори доћи из математичког оквира названог Ферми-Хуббардов модел. Овај потенцијал га чини једним од најважнијих модела у целој физици кондензоване материје, каже Хенрик Драјер из Куантинуума.

Конвенционални рачунари могу да покрећу изузетне симулације Ферми-Хуббардовог модела, али се боре са веома великим узорцима или случајевима када се материјали које описује мењају током времена. Квантни рачунари имају шансу да на крају буду бољи. Сада, Дреиер и његове колеге су покренули највећу симулацију Ферми-Хуббардовог модела на квантном рачунару.

Користили су Хелиос-1, који има 98 кубита направљених од јона баријума, од којих се сваки контролише ласерима и електромагнетним пољима. Да би покренули симулацију, истраживачи су манипулисали кубитима кроз низ квантних стања, а затим очитали излаз мерећи њихова својства. Њихове симулације су укључивале 36 честица званих фермиони, које су управо она врста честица која постоји у стварним супрапроводницима и математички су описане Ферми-Хуббардовим моделом.

Да би суперпроводник функционисао, фермиони се морају упарити, а експерименти су открили да се такво упаривање понекад може покренути ударањем у материјал ласером. Тим Куантинуума је симулирао овај сценарио – ударили су своје кубите ласерским импулсом, а затим измерили резултујућа стања, проналазећи знаке упаривања симулираних честица. Симулација није тачно реплицирала експерименте, али је ухватила динамички процес, који је тежак за конвенционалне компјутерске методе када се примени на више од неколико честица.

Дреиер каже да нови експеримент није ригорозан доказ да Хелиос-1 има предност у односу на сваки могући традиционални рачунарски приступ, али је истраживање класичних метода симулације уверило његов тим да би квантни рачунар могао да се такмичи. „За методе које смо испробали, било је немогуће поуздано добити исте резултате, гледали смо неколико сати на квантном рачунару и велики знак питања на класичној страни ствари“, каже он. Другим речима, тимске процене времена класичног рачунања биле су толико дуже да је било тешко рећи када ће бити упоредиве са Хелиосовим радом.

Други квантни рачунари се још нису позабавили симулацијама упаривања фермиона да би се постигла суправодљивост, а тим за њихов успех приписује Хелиосов хардвер. Дејвид Хејс, такође у Куантинуум-у, каже да су Хелиосови кубити изузетно поуздани и да су одлични у задацима бенчмаркинга који су уобичајени у индустрији квантног рачунарства. У прелиминарним тестовима, такође би могао да издржи експерименте са кубитима отпорним на грешке, укључујући повезивање 94 од ових специјалних кубита кроз квантно заплетање, што је рекорд на свим квантним рачунарима. Коришћење таквих кубита у будућим симулацијама могло би их учинити прецизнијим.

Едуардо Ибара Гарсија Падиља на колеџу Харвеи Мудд у Калифорнији каже да су нови резултати обећавајући, али да их ипак треба пажљиво упоредити са најсавременијим класичним компјутерским симулацијама. Он каже да је Ферми-Хабардов модел био од великог интереса за физичаре од 1960-их, тако да је узбудљиво имати нови алат за његово проучавање.

Када ће приступи попут оних који се користе са Хелиос-1 постати прави конкуренти најбољим конвенционалним рачунарима, може се само нагађати, јер још много детаља треба да се изглади, каже Стив Вајт са Универзитета Калифорније у Ирвајну. На пример, он каже да постоје изазови да се обезбеди да симулација квантног рачунара почне са правим скупом својстава кубита. Ипак, Вајт каже да би квантне симулације могле постати комплементарне класичним, посебно за динамичко или променљиво понашање у материјалима.

„Они су на путу да постану корисни алати за симулацију у кондензованој материји (физици)“, каже он. „Али они су још увек у раним фазама, постоје рачунске баријере које тек долазе.“

Референца: арКсивДОИ: 10.48550/арКсив.2511.02125