Недавние достижения в области квантовых вычислений открывают многообещающую новую перспективу для понимания и потенциального открытия сверхпроводимости при комнатной температуре. Исследователи компании Quantinuum, занимающейся квантовыми вычислениями, использовали свой новый квантовый компьютер Helios-1 для моделирования математической модели, центральной для изучения сверхпроводимости, что является значительным шагом на пути к использованию мощности квантовых компьютеров для материаловедения.
Понимание сверхпроводимости и модель Ферми-Хаббарда
Сверхпроводники обладают удивительной способностью проводить электричество с идеальной эффективностью – без потерь энергии. Однако, современные сверхпроводники функционируют только при экстремально низких температурах, что препятствует их широкому применению. На протяжении десятилетий физики ищут способы изменить структуру этих материалов, чтобы обеспечить сверхпроводимость при комнатной температуре. Ключевым подходом к этой цели является модель Ферми-Хаббарда, математическое описание, которое считается одним из самых важных в физике конденсированного состояния.
Классическое и квантовое моделирование: сравнение
Традиционные компьютеры могут эффективно моделировать модель Ферми-Хаббарда, но сталкиваются с ограничениями при работе с очень большими объемами данных или системами, в которых свойства материала меняются со временем. Квантовые компьютеры предлагают потенциал для преодоления этих ограничений. Недавняя работа Quantinuum представляет собой крупнейшую модель модели Ферми-Хаббарда, проведенную на квантовом компьютере на сегодняшний день.
Моделирование на Helios-1
Исследовательская группа использовала квантовый компьютер Helios-1, который состоит из 98 кубитов, построенных из ионов бария и управляемых с помощью лазеров и электромагнитных полей. Процесс включал в себя тщательную манипуляцию кубитами через последовательность квантовых состояний, завершающуюся измерением их свойств для получения выходных данных. Моделирование было сосредоточено на 36 фермионах, типе частиц, встречающихся в сверхпроводниках и описываемых моделью Ферми-Хаббарда.
Моделирование спаривания электронов – ключевой шаг
Критическим процессом в сверхпроводимости является спаривание этих фермионов. Эксперименты показали, что это спаривание можно инициировать с помощью лазерных импульсов. Команда Quantinuum воссоздала этот сценарий в своей моделировании, подвергая кубиты воздействию лазерного импульса и впоследствии измеряя результирующие состояния. Эти измерения показали признаки спаривания смоделированных частиц, отражая важный элемент сверхпроводимости. Хотя моделирование не идеально воспроизводило экспериментальные результаты, оно успешно захватило динамический процесс, который сложно воспроизвести с помощью обычных компьютерных методов применительно к более чем нескольким частицам.
Растущее конкурентное преимущество
Хотя исследователи предостерегают, что этот эксперимент не является окончательным доказательством превосходства Helios-1 над всеми традиционными подходами к вычислениям, их исследования классических методов моделирования привели их к выводу, что квантовый компьютер может эффективно конкурировать. Для исследованных ими методов достижение последовательных и сопоставимых результатов с помощью классических вычислений стало значительной проблемой – оценки времени вычислений, необходимых для классического моделирования, были настолько велики, что было трудно определить, когда они сравняются с производительностью Helios-1.
Оборудование и будущий потенциал
Команда объясняет свой успех надежностью оборудования Helios-1. По словам Дэвида Хейса, также из Quantinuum, кубиты отличаются исключительной надежностью и превосходно справляются с задачами стандартной индустриальной проверки. Кроме того, Helios-1 продемонстрировал способность поддерживать эксперименты с безошибочными кубитами и, что особенно важно, соединил 94 из этих кубитов посредством квантовой запутанности – рекорд среди всех квантовых компьютеров. Использование таких кубитов в будущих моделированиях обещает дальнейшее повышение точности.
Дальнейшая проверка и более широкие последствия
Эдуардо Ибарра Гарсия Падхилья из Harvey Mudd College признает многообещающий характер результатов, но подчеркивает необходимость тщательной проверки по сравнению с передовыми классическими компьютерными моделированиями. Долгосрочное значение модели Ферми-Хаббарда, которая привлекала внимание физиков с 1960-х годов, делает этот новый инструмент для ее изучения особенно захватывающим.
Хотя предсказать, когда именно квантовые подходы, такие как те, что используются с Helios-1, действительно превзойдут лучшие традиционные компьютеры, остается неопределенным, многочисленные усовершенствования все еще необходимы. Стив Уайт из Калифорнийского университета в Ирвайн указывает на задачу обеспечения того, чтобы квантовые моделирования начинались с совершенно правильного набора свойств кубитов. Однако он представляет квантовые моделирования как ценное дополнение к классическим методам, особенно для моделирования динамического или изменяющегося поведения в материалах.
«Они находятся на пути к тому, чтобы стать полезными инструментами моделирования в физике конденсированного состояния», – заключает он. «Но они все еще находятся на ранних стадиях, и впереди еще немало вычислительных барьеров».
Это исследование дает представление о потенциале квантовых вычислений для раскрытия секретов сверхпроводимости, прокладывая путь к революционным достижениям в области энергоэффективности и технологических инноваций.
Ссылка: arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2511.02125
