מחשבים קוואנטיים מחזיקים בהבטחה לחקות חומרים מורכבים, ועוזרים לחוקרים להבין טוב יותר את המאפיינים הפיזיקליים הנובעים מאינטראקציות בין אטומים ואלקטרונים. זה עשוי להוביל יום אחד לגילוי או תכנון של מוליכים למחצה, מבודדים או מוליכי-על טובים יותר שיכולים לשמש לייצור אלקטרוניקה מהירה יותר, חזקה יותר וחסכונית יותר באנרגיה.
אבל כמה תופעות המתרחשות בחומרים יכולות להיות מאתגרות לחיקוי באמצעות מחשבים קוואנטיים, מה שמשאיר פערים בבעיות שמדענים חקרו באמצעות חומרה קוואנטית.
כדי למלא אחד מהפערים הללו, חוקרים ב-MIT פיתחו טכניקה לייצור שדות אלקטרומגנטיים סינתטיים על מעבדים קוואנטיים מוליכי-על. הצוות הדגים את הטכניקה על מעבד הכולל 16 קיוביטים.
על ידי שליטה דינמית באופן שבו 16 הקיוביטים במעבד שלהם מחוברים זה לזה, החוקרים הצליחו לחקות את האופן שבו אלקטרונים נעים בין אטומים בנוכחות שדה אלקטרומגנטי. יתר על כן, השדה האלקטרומגנטי הסינתטי ניתן להתאמה רחבה, מה שמאפשר למדענים לחקור מגוון של מאפייני חומרים.
חיקוי שדות אלקטרומגנטיים חיוני כדי לחקור באופן מלא את מאפייני החומרים. בעתיד, טכניקה זו עשויה לשפוך אור על מאפיינים מרכזיים של מערכות אלקטרוניות, כמו מוליכות, קיטוב ומגנטיזציה.
"מחשבים קוואנטיים הם כלים חזקים לחקר הפיזיקה של חומרים ומערכות מכניקה קוואנטית אחרות. העבודה שלנו מאפשרת לנו לדמות הרבה יותר מהפיזיקה העשירה שריתקה מדעני חומרים," אומר אילן רוזן, פוסט-דוקטורנט ב-MIT ומחבר ראשי של המאמר על הסימולטור הקוואנטי.
המחבר הבכיר הוא ויליאם ד. אוליבר, פרופסור הנרי אליס וורן להנדסה חשמלית ומדעי מחשב ולפיזיקה, מנהל המרכז להנדסה קוואנטית, מנהיג קבוצת המערכות הקוואנטיות ההנדסיות, וסגן מנהל מעבדת המחקר לאלקטרוניקה. אוליבר ורוזן מצטרפים אליהם אחרים במחלקות להנדסה חשמלית ומדעי מחשב ולפיזיקה ובמעבדת MIT לינקולן. המחקר מופיע היום בכתב העת Nature Physics.
אמולטור קוואנטי
חברות כמו IBM וגוגל שואפות לבנות מחשבים קוואנטיים דיגיטליים בקנה מידה גדול שמחזיקים בהבטחה להתעלות על מקביליהם הקלאסיים על ידי הרצת אלגוריתמים מסוימים הרבה יותר מהר.
אבל זה לא כל מה שמחשבים קוואנטיים יכולים לעשות. הדינמיקה של קיוביטים והקישורים שלהם יכולה גם להיבנות בקפידה כדי לחקות את ההתנהגות של אלקטרונים כשהם נעים בין אטומים בגופים מוצקים.
"זה מוביל ליישום ברור, שהוא להשתמש במחשבים קוואנטיים מוליכי-על אלה כאמולטורים של חומרים," אומר ג'פרי גרובר, מדען מחקר ב-MIT ומחבר משותף על המאמר.
במקום לנסות לבנות מחשבים קוואנטיים דיגיטליים בקנה מידה גדול כדי לפתור בעיות מורכבות במיוחד, חוקרים יכולים להשתמש בקיוביטים במחשבים קוואנטיים בקנה מידה קטן יותר כהתקנים אנלוגיים כדי לשכפל מערכת חומר בסביבה מבוקרת.
"סימולטורים קוואנטיים דיגיטליים למטרות כלליות מחזיקים בהבטחה עצומה, אבל הם עדיין רחוקים. אמולציה אנלוגית היא גישה נוספת שעשויה להניב תוצאות שימושיות בטווח הקצר, במיוחד לחקר חומרים. זו יישום פשוט וחזק של חומרה קוואנטית," מסביר רוזן. "באמצעות אמולטור קוואנטי אנלוגי, אני יכול להגדיר באופן מכוון נקודת התחלה ואז לצפות במה שמתרחש כפונקציה של זמן."
למרות הדמיון הקרוב שלהם לחומרים, יש כמה מרכיבים חשובים במערכות קוואנטיות שחסרים בחומרים אמיתיים. אחד מהם הוא שדה אלקטרומגנטי סינתטי שמדמה את ההשפעה של שדות חיצוניים על אלקטרונים.
כדי ליצור שדה כזה, החוקרים השתמשו בשיטה דינמית שמשנה את הקישורים בין הקיוביטים במהלך האבולוציה של המערכת. זה מאפשר להם לשנות את הדינמיקה של הקיוביטים כדי שיחקו את ההתנהגות של אלקטרונים תחת שדה אלקטרומגנטי.
הם הדגימו את הטכניקה על מעבד עם 16 קיוביטים, שבהם הם יכלו לשלוט בקישורים בין כל זוג קיוביטים.
על ידי התאמת הפרמטרים של השדה האלקטרומגנטי הסינתטי, הם יכלו לחקור מגוון של מאפייני חומרים, כמו מוליכות וקיטוב.
הטכניקה הזו פותחת דלתות לחקר תופעות פיזיקליות מורכבות יותר בחומרים, ומספקת כלי חדש למדענים בתחום החומרים הקוואנטיים.
מקור :
https://news.mit.edu/2024/quantum-simulator-could-uncover-materials-high-performance-electronics-1030
