Kvantteknik, såsom kvantdatorer, bygger på kvantmaterial. Dessa typer av material uppvisar kvantegenskaper när de utsätts för rätt förhållanden.
Intressant nog kan ingenjörer också framkalla kvantbeteende genom att manipulera ett materials struktur; till exempel genom att stapla lager av grafen på varandra och vrida dem för att skapa ett moirémönster, vilket plötsligt förvandlar dem till en supraledare.
Lagren kan ordnas på allt mer komplexa sätt ända fram till kvasikristaller och supermoiré-material. Det grundläggande problemet är att forskare först måste beräkna egenskaperna hos potentiella nya material för att kunna förutsäga om de kan vara användbara. Kvasikristaller är till exempel så komplexa att de kan kräva bearbetning av mer än en kvadriljon siffror – långt bortom kapaciteten hos världens mest kraftfulla superdatorer.
Nu har forskare vid Aalto-universitetets institution för tillämpad fysik visat hur en kvantinspirerad algoritm gör det möjligt att lösa dessa kolossala, icke-periodiska kvantmaterial på ett ögonblick. Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters som ett redaktörsförslag.
Detta är också ett tidigt exempel på en positiv återkopplingsloop inom kvantteknik, förklarar biträdande professor Jose Lado.
”Avgörande är att dessa nya kvantalgoritmer kan möjliggöra utvecklingen av nya kvantmaterial för att bygga nya paradigmer för kvantdatorer, vilket skapar en produktiv tvåvägs återkopplingsloop mellan kvantmaterial och kvantdatorer”, förklarar han.
Deras upptäckt banar väg för att bygga förlustfri elektronik som bland annat kan bidra till att mildra värmepåverkan från AI-drivna datacenter.
Teamet, ledt av Lado, bestod av doktoranden Tiago Antão, huvudförfattare till arbetet; QDOC-doktoranden Yitao Sun och akademiforskaren Adolfo Fumega.
Spridda över en redan komplex form
I studien fokuserade teamet på topologiska kvasikristaller, som kännetecknas av okonventionella kvantexcitationer. Det är viktigt att utnyttja deras kraft eftersom de skyddar kvantmaterialets elektriska ledningsförmåga från ödesdigert brus och störningar, men de är ojämnt spridda över hela kvasikristallen. I stället för att försöka beräkna kvantkristallens enorma form översatte teamet problemet till samma språk som kvantdatorer talar.
”Kvantdatorer arbetar i exponentiellt stora beräkningsutrymmen, så vi använde en speciell familj av algoritmer för att koda dessa utrymmen, så kallade tensornätverk, för att beräkna en kvantkristall med över 268 miljoner noder. Vår algoritm visar hur kolossala problem i kvantmaterial kan lösas direkt med den exponentiella hastighetsökning som uppstår genom att koda problemet som ett kvantmångkroppssystem”, säger Antão.
Algoritmen är en teoretisk beräkning som körs på en simulering, men experimentell bekräftelse och potentiella framtida steg är inom räckhåll.
”Den kvantinspirerade algoritmen som vi demonstrerade gör det möjligt för oss att skapa supermoiré-kvasi-kristaller flera storleksordningar över vad konventionella metoder klarar av. Det är ett avgörande steg mot att designa topologiska kvantbitar med supermoiré-material för användning i till exempel kvantdatorer”, säger Lado.
Mot ett tidigt användningsfall för kvantdatorer
Enligt Lado skulle teamets algoritm kunna anpassas för att införas i en kvantdator.
”Vår metod kan anpassas för att köras på riktiga kvantdatorer, så snart de når nödvändig skala och precision. I synnerhet kan den nya AaltoQ20 och den finska kvantdatorinfrastrukturen spela en betydande roll i framtida demonstrationer”, säger Lado.
Resultaten visar att förståelse och design av exotiska kvantmaterial är en av de första potentiella praktiska tillämpningarna av kvantalgoritmer och kvantdatorer – något som Lado redan har banat väg för.
Publikationsuppgifter
Tiago V. C. Antão et al, Tensor Network Method for Real-Space Topology in Quasicrystal Chern Mosaics, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/hhdf-xpwg
