Naukowcy dokonali znaczącego postępu w symulacji kwantowej, tworząc jak dotąd największy i najłatwiejszy w sterowaniu symulator o nazwie Quantum Twins, zdolny do symulowania złożonych materiałów z niespotykaną dotąd dokładnością. Ten przełom może przyspieszyć odkrycie nowych materiałów o rewolucyjnych właściwościach, w tym nadprzewodników, które działają w praktycznych warunkach.
Potęga symulacji kwantowej
Komputery kwantowe obiecują rozwiązać problemy, których nie potrafią klasyczne komputery. Symulatory kwantowe idą w drugą stronę: zamiast rozwiązań obliczeniowych emulują bezpośrednio systemy kwantowe. Jest to szczególnie cenne w naukach o materiałach, ponieważ wiele właściwości materiałów – takich jak nadprzewodnictwo – wynika z efektów kwantowych, które są trudne do obliczenia na konwencjonalnych komputerach.
Tradycyjne symulacje zmagają się z dużymi systemami i złożonymi interakcjami. Symulatory kwantowe omijają to ograniczenie, bezpośrednio symulując zachowanie elektronów w materiałach, oferując szybką ścieżkę do zrozumienia i zaprojektowania egzotycznych materiałów.
Stworzenie kwantowych bliźniaków
Symulator Quantum Twins powstał poprzez osadzenie atomów fosforu w chipach krzemowych. Każdy atom służy jako kubit – podstawowa jednostka informacji kwantowej – a badacze precyzyjnie ułożyli te kubity, aby naśladować strukturę atomową prawdziwych materiałów.
Obecna iteracja Quantum Twins składa się z siatek zawierających 15 000 kubitów, co przewyższa poprzednie symulacje. Co ważne, zespół kontroluje również właściwości elektroniczne symulowanego materiału, dostosowując łatwość poruszania się elektronów lub interakcji w siatce. Ten poziom kontroli jest niezbędny do dokładnego modelowania.
Wstępne wyniki i perspektywy na przyszłość
Zespół przetestował symulator, odtwarzając dobrze znany model wpływu defektów na przewodność elektryczną. Wyniki potwierdzają zdolność symulatora do obsługi złożonych systemów, które stanowią wyzwanie dla klasycznych komputerów.
Patrząc w przyszłość, Quantum Twins są gotowe rozwiązać niektóre z najtrudniejszych problemów w materiałoznawstwie:
- Nadprzewodniki w temperaturze pokojowej: Obecne nadprzewodniki wymagają ekstremalnego zimna lub ciśnienia. Modelowanie kwantowe może pomóc w opracowaniu materiałów, które w normalnych warunkach przewodzą, rewolucjonizując przenoszenie i magazynowanie energii.
- Odkrywanie leków i sztuczna fotosynteza: Modelowanie powierzchni styku metali i cząsteczek może przyspieszyć rozwój nowych leków i wydajniejszych urządzeń do sztucznej fotosyntezy.
Dlaczego to jest ważne
Możliwość dokładnego modelowania materiałów na poziomie kwantowym zmienia zasady gry. Nie chodzi tylko o szybsze przetwarzanie danych; chodzi o projektowanie materiałów o właściwościach obecnie niemożliwych do osiągnięcia. Ten przełom przybliża badaczy do tworzenia materiałów o dostosowanych właściwościach, potencjalnie rozwiązując główne problemy w energetyce, medycynie i nie tylko.
„Skala i kontrola, jakie osiągnęliśmy dzięki tym symulatorom, oznaczają, że jesteśmy teraz gotowi do rozwiązania kilku bardzo interesujących problemów”, mówi Michelle Simmons, główna badaczka projektu.
Rozwój ten przewiduje przyszłość, w której materiały będą konstruowane atom po atomie, ujawniając właściwości, o których dzisiaj możemy tylko marzyć.
