Исследователи добились значительного скачка в квантовом моделировании, создав самый крупный и управляемый симулятор на сегодняшний день — под названием «Квантовые Близнецы», способный моделировать сложные материалы с беспрецедентной точностью. Этот прорыв может ускорить открытие новых материалов с революционными свойствами, включая сверхпроводники, работающие в практических условиях.
Мощь Квантового Моделирования
Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные для классических компьютеров. Квантовые симуляторы идут другим путем: вместо вычисления решений они эмулируют квантовые системы напрямую. Это особенно ценно для материаловедения, поскольку многие свойства материалов — такие как сверхпроводимость — возникают из квантовых эффектов, которые трудно вычислить на обычных компьютерах.
Традиционные симуляции испытывают трудности с большими системами и сложными взаимодействиями. Квантовые симуляторы обходят это ограничение, напрямую имитируя поведение электронов в материалах, предлагая быстрый путь к пониманию и проектированию экзотических материалов.
Создание Квантовых Близнецов
Симулятор «Квантовые Близнецы» был создан путем внедрения атомов фосфора в кремниевые чипы. Каждый атом служит кубитом — фундаментальной единицей квантовой информации — и исследователи точно расположили эти кубиты, чтобы имитировать атомную структуру реальных материалов.
Текущая итерация «Квантовых Близнецов» состоит из сеток, содержащих 15 000 кубитов, превосходя предыдущие симуляторы. Важно, что команда также контролирует электронные свойства моделируемого материала, настраивая, насколько легко электроны перемещаются или взаимодействуют внутри сетки. Этот уровень контроля необходим для точного моделирования.
Первоначальные Результаты и Перспективы на Будущее
Команда протестировала симулятор, воссоздав хорошо известную модель того, как дефекты влияют на электропроводность. Результаты подтверждают способность симулятора справляться со сложными системами, которые бросают вызов классическим компьютерам.
В перспективе «Квантовые Близнецы» готовы решить некоторые из самых сложных задач в материаловедении:
- Сверхпроводники при Комнатной Температуре: Текущие сверхпроводники требуют экстремального холода или давления. Квантовое моделирование может помочь в разработке материалов, которые сверхпроводят при обычных условиях, революционизируя передачу и хранение энергии.
- Открытие Лекарств и Искусственный Фотосинтез: Моделирование интерфейсов между металлами и молекулами может ускорить разработку новых лекарств и более эффективных устройств искусственного фотосинтеза.
Почему Это Важно
Возможность точно моделировать материалы на квантовом уровне — это переломный момент. Речь идет не только о более быстрых вычислениях; речь идет о проектировании материалов со свойствами, которые в настоящее время невозможно достичь. Этот прорыв приближает исследователей к созданию материалов с заданными свойствами, потенциально решая основные проблемы в энергетике, медицине и за ее пределами.
«Масштаб и управляемость, которых мы достигли с помощью этих симуляторов, означают, что мы теперь готовы решать очень интересные проблемы», — говорит Мишель Симмонс, ведущий исследователь проекта.
Это развитие предполагает будущее, в котором материалы будут проектироваться атом за атомом, открывая свойства, о которых мы можем только мечтать сегодня.
