Για πρώτη φορά, ένας κβαντικός υπολογιστής κατάφερε να μετρήσει επιτυχώς τις συσχετίσεις σύζευξης – τα κβαντικά σήματα που δείχνουν ότι τα ηλεκτρόνια ενώνονται σε ζεύγη -, κάτι που αποτελεί ουσιαστικό βήμα προς την ανακάλυψη μιας από τις «Αγίες Δισκοπότηρες» της φυσικής: των υπεραγωγών που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου.
Τι είναι οι υπεραγωγοί και γιατί είναι τόσο σημαντικοί
Οι υπεραγωγοί είναι υλικά που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα με μηδενική αντίσταση, δηλαδή χωρίς απώλειες ενέργειας υπό μορφή θερμότητας. Ωστόσο, για να λειτουργήσουν, πρέπει να ψυχθούν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κάτι που τα καθιστά ακριβά και δύσχρηστα για ευρεία χρήση.
Οι φυσικοί προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να τροποποιήσουν τη δομή τους ώστε να λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου και πολλοί πιστεύουν ότι το κλειδί βρίσκεται στην κατανόηση και τον έλεγχο των συσχετίσεων σύζευξης ηλεκτρονίων.
Το αδιέξοδο του μοντέλου Fermi-Hubbard
Για δεκαετίες, η έρευνα αυτή είχε φτάσει σε ένα υπολογιστικό αδιέξοδο. Για να χαρτογραφήσουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε πιθανούς υπεραγωγούς, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν το μοντέλο Fermi–Hubbard, ένα μαθηματικό πλαίσιο που επιτρέπει την πρόβλεψη της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων σε νέα υπεραγώγιμα υλικά. Όμως, όσο αυξάνονται τα σωματίδια στο μοντέλο, το πρόβλημα γίνεται εκθετικά πιο περίπλοκο — πέρα από τις δυνατότητες ακόμη και των πιο ισχυρών κλασικών υπερυπολογιστών.
Εδώ παρεμβαίνει η Quantinuum, μια εταιρεία κβαντικών υπολογιστών, η οποία χρησιμοποίησε τον νέο υπολογιστή Helios-1 για να προσομοιώσει αυτές τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις. Αντί να υπολογίζει τη συμπεριφορά του υλικού, ο Helios-1 μιμείται τις ίδιες τις κβαντικές αλληλεπιδράσεις μέσα του, χρησιμοποιώντας παγιδευμένα άτομα (ιόντα) ως qubits, τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία ενός κβαντικού υπολογιστή.
Σε αντίθεση με ένα κλασικό bit, που μπορεί να είναι μόνο 0 ή 1, ένα qubit μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα και στις δύο καταστάσεις. Με την αντιστοίχιση του προβλήματος στο κβαντικό υλικό του Helios-1, οι ερευνητές ξεπέρασαν τα όρια των συμβατικών υπολογιστών και κατάφεραν να πραγματοποιήσουν τις πρώτες ακριβείς μετρήσεις των αμυδρών κβαντικών ενδείξεων σύζευξης ηλεκτρονίων.
Οι μετρήσεις και τα αποτελέσματα
Ο Helios-1 πραγματοποίησε μετρήσεις σε τρία διαφορετικά σενάρια, μεταξύ των οποίων και ένα μοντέλο που αφορούσε νέους νικελιούχους υπεραγωγούς. Το πείραμα έδειξε ότι η κβαντική υπολογιστική μπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για την επιτάχυνση της αναζήτησης υπεραγωγών θερμοκρασίας δωματίου.
«Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να δημιουργήσει και να εξερευνήσει με αξιοπιστία φυσικά ρεαλιστικές καταστάσεις με συσχετίσεις υπεραγώγιμης σύζευξης, ανοίγοντας τον δρόμο για τη μελέτη της υπεραγωγιμότητας με κβαντικούς υπολογιστές», σχολίασαν οι ερευνητές στο άρθρο τους που δημοσιεύθηκε στην πλατφόρμα arXiv.
Τα εμπόδια που απομένουν
Παρόλα αυτά, οι φυσικοί δεν πρόκειται να βασιστούν άμεσα στην κβαντική υπολογιστική για την επίλυση του προβλήματος της υπεραγωγιμότητας. Υπάρχουν ακόμη σημαντικά τεχνικά εμπόδια. Δύο βασικά προβλήματα είναι:
– η συσσώρευση θορύβου, όπου εξωτερικές παρεμβολές όπως ηλεκτρομαγνητικά πεδία προκαλούν την κατάρρευση των qubits και
– η ανάγκη για πολύ περισσότερα qubits ώστε να προσομοιωθούν με ακρίβεια μεγάλα, ρεαλιστικά υλικά.
Παρά τις προκλήσεις, η πρόοδος αυτή αποδεικνύει ότι η κβαντική προσομοίωση μπορεί να μετατραπεί σε ένα κρίσιμο εργαλείο για την κατανόηση των υπεραγώγιμων μηχανισμών – και ίσως, στο μέλλον, να οδηγήσει στην ανακάλυψη του πρώτου πραγματικού υπεραγωγού θερμοκρασίας δωματίου.
Περισσότερες πληροφορίες: Etienne Granet et al, Υπεραγώγιμες συσχετίσεις ζευγαρώματος σε κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένων ιόντων, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2511.02125
Πληροφορίες περιοδικού: arXiv
