Un nuevo algoritmo cuántico resuelve problemas materiales complejos en segundos

La investigación sobre materiales cuánticos avanza a pasos agigantados gracias a un nuevo algoritmo inspirado en la mecánica cuántica, desarrollado por un equipo de científicos de la Universidad Aalto. Este algoritmo ha logrado resolver problemas de simulación de materiales cuánticos complejos, conocidos como quasicristales, en cuestión de segundos, algo que supera las capacidades de las computadoras superpotentes actuales.

Los quasicristales son estructuras que presentan un orden a largo alcance pero carecen de repetición periódica, lo que los hace extremadamente complicados de simular. De hecho, la simulación de estos materiales puede requerir más de un cuatrillón de números, un desafío que ha resultado inalcanzable para las supercomputadoras convencionales. Sin embargo, el nuevo algoritmo permite realizar estas simulaciones de manera casi instantánea.

El equipo de investigación, liderado por el profesor asistente Jose Lado, ha destacado la importancia de este avance para el desarrollo de nuevos materiales cuánticos y para la creación de computadoras cuánticas más eficientes. "Estos nuevos algoritmos cuánticos pueden facilitar el desarrollo de nuevos materiales cuánticos, creando un ciclo de retroalimentación productivo entre los materiales cuánticos y las computadoras cuánticas", explicó Lado.

El algoritmo podría abrir la puerta a la creación de electrónica sin disipación, que permitiría la conducción de electricidad sin pérdidas de energía. Esto sería especialmente relevante para reducir las crecientes demandas de calor y energía de los centros de datos impulsados por inteligencia artificial.

El estudio se centra en los quasicristales topológicos, que albergan excitaciones cuánticas inusuales y son valiosos por su capacidad de proteger la conductividad eléctrica de ruidos e interferencias. El equipo reformuló el desafío de simular estos materiales utilizando métodos similares a los de las computadoras cuánticas, lo que les permitió calcular un quasicrystal con más de 268 millones de sitios.

"Nuestra investigación demuestra que los problemas colosales en materiales cuánticos pueden resolverse directamente con la velocidad exponencial que proporciona la codificación del problema como un sistema cuántico de muchos cuerpos", afirmó el investigador Tiago Antão, principal autor del estudio.

A pesar de que el trabajo se encuentra en una etapa teórica y se realizó a través de simulaciones, los investigadores consideran que las pruebas experimentales y las aplicaciones futuras están a la vista. Lado agregó que el algoritmo podría adaptarse para funcionar en computadoras cuánticas reales a medida que la tecnología avance. "Nuestro método puede ser adaptado para operar en computadoras cuánticas reales, una vez que alcancen la escala y fidelidad necesarias", afirmó.

Este proyecto es parte de la subvención de consolidación ERC de Lado, titulada ULTRATWISTROICS, que se centra en diseñar qubits topológicos utilizando materiales de van der Waals, y está vinculado al Centro de Excelencia en Materiales Cuánticos QMAT, que busca avanzar en las tecnologías cuánticas del futuro.