Symulacje kwantowe potwierdzone eksperymentalnie. Pierwszy raz w historii
Fizycy dokonali znaczącego kroku naprzód w dziedzinie informatyki kwantowej i inżynierii materiałów. Badacze z dwóch niezależnych zespołów po raz pierwszy zweryfikowali przewidywania komputerów kwantowych, zestawiając je z rzeczywistymi danymi doświadczalnymi dotyczącymi właściwości materiałów. Eksperymenty potwierdziły prognozy z symulacji, co pokazało, że maszyny i symulatory kwantowe mogą już powoli zastępować klasyczne superkomputery na wczesnych etapach badań.
Spis treści:
- Naukowcy pomyślnie zweryfikowali symulacje kwantowe
- Komputer kwantowy prawidłowo przewidział właściwości materiałów
- Maszyny kwantowe udowodniły swoją przydatność dla nauki
Naukowcy pomyślnie zweryfikowali symulacje kwantowe
Z komputerami kwantowymi od lat wiązane są wielkie nadzieje. Dzięki wyjątkowej architekturze, wykorzystującej zjawiska kwantowe, urządzenia te mogą zabłysnąć w dziedzinach, z którymi klasyczne komputery binarne radziły sobie słabo. Mogą więc służyć do rozwiązywania złożonych zadań, takich jak projektowanie nowych substancji chemicznych oraz rozwiązań lotniczych i samochodowych, optymalizacja logistyki i procesów produkcyjnych, łamanie szyfrów, analiza ryzyka czy kwantowe uczenie maszynowe modeli sztucznej inteligencji.
Ich praktyczne zastosowanie było jednak do tej pory ograniczane przez wysokie współczynniki błędów. Najnowsze badania pokazują tymczasem, że wyniki symulacji kwantowych można skutecznie testować za pomocą danych ze świata rzeczywistego. To wielki krok przybliżający te maszyny do przekroczenia progu możliwości praktycznych tradycyjnych superkomputerów.
Dwa niezależne zespoły badawcze zweryfikowały eksperymentalnie przewidywania komputerów kwantowych związane z właściwościami materiałów. Dane z badań zostały opublikowane w serwisie arXiv i jako tzw. preprinty czekają na recenzję naukową oraz publikację w naukowych journalach. Już jednak teraz wzbudziły zainteresowanie redakcji "Nature", która skontaktowała się z ich autorami i zacytowała ich komentarze.
Publikacje te ogłosiły sukces w dopasowaniu szczegółowych symulacji kwantowych do danych zebranych podczas pracy z materiałami. Jak wyjaśnia Alexandre Dauphin, fizyk z paryskiego startupu Pasqal i główny autor jednego z tych badań, celem eksperymentów było bezpośrednie "zestawienie danych z tym, co mierzymy w komputerze kwantowym". Drugim badaniem kierował Arnab Banerjee z Purdue University. Według niego benchmarki oparte na materiałach laboratoryjnych są niezbędne, ponieważ "dzięki nim wiemy, że to, co symulujemy, naprawdę ma sens". O jakich materiałach mówią ci eksperci?
Komputer kwantowy prawidłowo przewidział właściwości materiałów
Zespół Dauphina skoncentrował się na symulacji materiału magnetycznego zawierającego tul (TmMgGaO₄). Wykorzystano do tego symulator kwantowy firmy Pasqal, w którym informacje kodowane są w stanach pojedynczych atomów utrzymywanych przez szczypce optyczne. Badaczom udało się obliczyć m.in. pojemność cieplną materiału oraz jego reakcje na zmienne pola magnetyczne.
Naukowcy wykorzystali urządzenie oparte na atomach Rydberga, aby zbadać materiały niskowymiarowe, których egzotyczne właściwości wynikają z silnych fluktuacji kwantowych. Wyniki pomiarów magnetyzacji uzyskane z symulatora wykazały doskonałą zgodność z niezależnymi danymi z laboratorium magnetycznego, co potwierdziło poprawność przyjętego modelu.
Z kolei grupa Banerjee'a przeprowadziła symulację cyfrową na komputerze kwantowym IBM, wykorzystującym pętle nadprzewodzące. Badała ona materiał złożony z miedzi, fluoru i potasu (KCuF₃), obserwując m.in. zjawisko "ułamkowych" elektronów, gdzie cząstki zachowują się zbiorowo tak, jakby posiadały jedynie część swojego magnetyzmu. Eksperyment ten udowodnił, że procesory nadprzewodzące dysponujące 50 kubitami są w stanie generować wiarygodne symulacje materiałów jeszcze przed erą pełnej odporności na błędy. Badacze wykazali, że mimo ograniczeń sprzętowych symulacja dostarcza miarodajnych danych.
Maszyny kwantowe udowodniły swoją przydatność dla nauki
Obie grupy badawcze porównały wyniki symulacji przeprowadzonych przez ich komputery kwantowe z danymi pochodzącymi z eksperymentów polegających na rozpraszaniu neutronów. Banerjee wspomina proces porównywania wyników jako fascynujący. "Obraz stawał się coraz ostrzejszy - aż w końcu stał się identyczny z danymi z rozpraszania" - wyjaśnia naukowiec. Dodał on również, że wyniki te są szczególnie satysfakcjonujące, bowiem stanowią kontrę do powszechnego sceptycyzmu dotyczącego możliwości obecnych maszyn kwantowych.
Sukces tych badań wyznacza nowy standard w stosowaniu symulacji kwantowych w inżynierii materiałowej. Podczas gdy obliczenia IBM zbliżają się do granicy możliwości klasycznych komputerów, maszyna firmy Pasqal według autorów już teraz osiąga tzw. przewagę kwantową.
Co dalej? Wykorzystanie dobrze znanych materiałów jako punktów odniesienia pozwoli naukowcom nabrać zaufania do metod kwantowych, co w przyszłości umożliwi precyzyjne przewidywanie właściwości substancji, które nie zostały jeszcze stworzone w laboratorium.
Zobacz również:
Źródła:
- Dauphin A. et al. One-to-one quantum simulation of the low-dimensional frustrated quantum magnet TmMgGaO with 256 qubits. arXiv (Preprint, 2026). https://doi.org/10.48550/arXiv.2603.20372
- Banerjee A. et al. Benchmarking quantum simulation with neutron-scattering experiments. arXiv (Preprint, 2026). https://doi.org/10.48550/arXiv.2603.15608
- Castelvecchi D. Quantum simulations verified by experiments for the first time. Nature (News, 2026). https://doi.org/10.1038/d41586-026-00959-1
