Vědci udělali významný skok vpřed v kvantové simulaci vytvořením dosud největšího a nejlépe ovladatelného simulátoru zvaného Quantum Twins, který je schopen simulovat složité materiály s nebývalou přesností. Tento průlom by mohl urychlit objev nových materiálů s revolučními vlastnostmi, včetně supravodičů, které fungují v praktických podmínkách.
Síla kvantové simulace
Kvantové počítače slibují řešení problémů, které klasické počítače nedokážou. Kvantové simulátory jdou jinou cestou: místo výpočetních řešení emulují kvantové systémy přímo. To je zvláště cenné pro vědu o materiálech, protože mnoho vlastností materiálů – jako je supravodivost – vzniká z kvantových efektů, které je obtížné vypočítat na konvenčních počítačích.
Tradiční simulace bojují s velkými systémy a složitými interakcemi. Kvantové simulátory toto omezení obcházejí přímou simulací chování elektronů v materiálech, čímž nabízejí rychlou cestu k pochopení a navrhování exotických materiálů.
Vytvoření kvantových dvojčat
Simulátor Quantum Twins vznikl vložením atomů fosforu do křemíkových čipů. Každý atom slouží jako qubit – základní jednotka kvantové informace – a výzkumníci tyto qubity přesně uspořádali tak, aby napodobovaly atomovou strukturu skutečných materiálů.
Současná iterace Quantum Twins se skládá z mřížek obsahujících 15 000 qubitů, které překonávají předchozí simulace. Důležité je, že tým také kontroluje elektronické vlastnosti simulovaného materiálu a ladí, jak snadno se elektrony pohybují nebo interagují v rámci sítě. Tato úroveň kontroly je nezbytná pro přesné modelování.
Počáteční výsledky a vyhlídky do budoucna
Tým testoval simulátor znovuvytvořením dobře známého modelu toho, jak defekty ovlivňují elektrickou vodivost. Výsledky potvrzují schopnost simulátoru zvládnout složité systémy, které jsou výzvou pro klasické počítače.
Při pohledu do budoucna jsou Quantum Twins připraveni vyřešit některé z nejnáročnějších problémů v materiálové vědě:
- Supravodiče při pokojové teplotě: Současné supravodiče vyžadují extrémní chlad nebo tlak. Kvantové modelování může pomoci vyvinout materiály, které jsou supravodivé za normálních podmínek, což přináší revoluci v přenosu a skladování energie.
- Objevování léků a umělá fotosyntéza: Modelování rozhraní mezi kovy a molekulami může urychlit vývoj nových léků a účinnějších zařízení pro umělou fotosyntézu.
Proč je to důležité
Schopnost přesně modelovat materiály na kvantové úrovni mění hru. Není to jen o rychlejším počítání; jde o navrhování materiálů s vlastnostmi, které v současnosti nelze dosáhnout. Tento průlom přivádí výzkumné pracovníky blíže k vytváření materiálů s přizpůsobenými vlastnostmi, které potenciálně řeší hlavní problémy v energetice, medicíně i mimo ni.
„Rozsah a kontrola, kterých jsme s těmito simulátory dosáhli, znamenají, že jsme nyní připraveni řešit některé velmi zajímavé problémy,“ říká Michelle Simmons, vedoucí výzkumnice projektu.
Tento vývoj předvídá budoucnost, ve které budou materiály zkonstruovány atom po atomu a odhalí vlastnosti, o kterých si dnes můžeme nechat jen zdát.
