ביצוע אומנותי של הדמיית קוונטים של 1T-TaS2 המתבצעת על יחידת העיבוד הקוונטי של מחשל קוונטי. קרדיט: מכון יוזף סטפן / Jaka Vodeb und Yevhenii Vaskivskyi, עריכה
מדענים השתמשו במחשל קוונטי כדי לדמות חומרים קוונטיים ביעילות, מה שמסמן התפתחות מכרעת ביישום מחשוב קוונטי במדעי החומר ושיפור ביצועי התקן זיכרון קוונטי.
פיזיקאים כבר מזמן רודפים אחרי הרעיון של הדמיית חלקיקים קוונטיים עם מחשב שבעצמו מורכב מחלקיקים קוונטיים. זה בדיוק מה שעשו מדענים ב-Forschungszentrum Jülich יחד עם עמיתים מסלובניה. הם השתמשו במחשל קוונטי כדי ליצור מודל של חומר קוונטי מהחיים האמיתיים והראו שהמחשל הקוונטי יכול לשקף ישירות את האינטראקציות המיקרוסקופיות של אלקטרונים בחומר. התוצאה היא התקדמות משמעותית בתחום, המציגה את הישימות המעשית של מחשוב קוונטי בפתרון בעיות מורכבות במדעי החומר. יתר על כן, החוקרים גילו גורמים שיכולים לשפר את העמידות והיעילות האנרגטית של התקני זיכרון קוונטי.
מורשתו של ריצ'רד פיינמן במחשוב קוונטי
בתחילת שנות ה-80 שאל ריצ'רד פיינמן האם ניתן לדגמן את הטבע בצורה מדויקת באמצעות מחשב קלאסי. תשובתו הייתה: לא. העולם מורכב מחלקיקים יסודיים, המתוארים על ידי עקרונות הפיזיקה הקוונטית. הגידול האקספוננציאלי של המשתנים שחייבים להיכלל בחישובים דוחף אפילו את מחשבי העל החזקים ביותר לגבולותיהם. במקום זאת, פיינמן הציע להשתמש במחשב שמורכב בעצמו מחלקיקים קוונטיים. עם החזון שלו, פיינמן נחשב בעיני רבים לאבי המחשוב הקוונטי.
מדענים ב-Forschungszentrum Jülich, יחד עם עמיתים ממוסדות סלובניים, הראו כעת שניתן ליישם את החזון הזה בפועל. האפליקציה שהם מסתכלים עליה היא מה שנקרא מערכת רב-גוף. מערכות כאלה מתארות את התנהגותם של מספר רב של חלקיקים המקיימים אינטראקציה זה עם זה. בהקשר של פיזיקת קוונטים, הם עוזרים להסביר תופעות כמו מוליכות-על או מעברי פאזה קוונטיים ב- אפס מוחלט. בטמפרטורה של 0 קלווין, במקום תנודות תרמיות, רק תנודות קוונטיות מתרחשות כאשר פרמטר פיזי כמו השדה המגנטי משתנה.
D-Wave Quantum Annealer JUPSI ב-Forschungszentrum Jülich. קרדיט: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
אתגרים וטכניקות בחקר חומרים קוונטיים
"אתגר אחד בחקר חומרים קוונטיים הוא למדוד כמותית ולדגמן את מעברי הפאזות של מערכות רבות של גוף", מסביר דראגן מיכאילוביץ' ממכון יוז'ף סטפן בסלובניה. במחקר זה, המדענים חקרו את החומר הקוונטי 1T-TaS2המשמש במגוון רחב של יישומים, כולל אלקטרוניקה מוליכת-על והתקני אחסון חסכוניים באנרגיה.
ג'קה וודב ממרכז מחשוב העל ג'וליך מתאר את הגישה: "הצבנו את המערכת במצב לא-שיווי משקל וצפינו כיצד האלקטרונים בסריג המצב המוצק מסדרים את עצמם מחדש לאחר מעבר פאזה לא-שיווי משקל, הן בניסוי והן באמצעות סימולציות. ”
כל החישובים נערכו באמצעות המתח הקוונטי של חברת D-Wave, המשולב בתשתית Jülich Unified Infrastructure for Quantum Computing, JUNIQ.
קידום טכנולוגיה ויעילות קוונטית
החוקרים יכלו לדגמן בהצלחה את ההצלבה מדינמיקה מונעת טמפרטורה לתנודות קוונטיות רועשות. יתרה מזאת, המדענים הוכיחו שחיבורי הקיוביט של המחולל הקוונטי יכולים לשקף ישירות את האינטראקציות המיקרוסקופיות בין אלקטרונים בחומר קוונטי. יש לשנות רק פרמטר בודד אחד במחולל הקוונטי. התוצאה עולה בקנה אחד עם ממצאי הניסוי.
עם זאת, למחקר יש גם יישומים מעשיים. לדוגמה, הבנה מעמיקה יותר של 1T-TaS2התקני זיכרון מבוססי יכולים להוביל להתקן זיכרון קוונטי מעשי, המיושם ישירות על יחידת עיבוד קוונטי (QPU). מכשירים כאלה יכולים לתרום לפיתוח מכשירים אלקטרוניים חסכוניים באנרגיה, ובכך להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה של מערכות מחשוב.
השפעה ויישומים של מחשלים קוונטיים
המחקר מדגיש את הפוטנציאל של מחשלים קוונטיים בפתרון בעיות מעשיות, סלול את הדרך ליישום הרחב יותר שלהם בתחומים שונים כגון קריפטוגרפיה, מדעי החומר והדמיות מערכות מורכבות. יתרה מכך, לממצאים יש השלכות ישירות על פיתוח התקני זיכרון קוונטי חסכוניים באנרגיה.
