2026年4月15日——量子计算机等量子技术由量子材料构建而成。这类材料在特定条件下会展现出量子特性。有趣的是，工程师还能通过操纵材料结构来诱发量子行为，例如将多层石墨烯堆叠扭转形成莫尔图案，便能使其突然转变为超导体。

这些层状结构可以排列成越来越复杂的形态，直至形成准晶体和超莫尔材料。核心问题在于，科学家必须预先计算潜在新型材料的特性以判断其应用价值。以准晶体为例，其复杂程度可能需要处理超过千万亿个数据——远超全球最强超级计算机的算力极限。

阿尔托大学应用物理系的研究团队如今证明，采用量子启发算法可在瞬间解决这些非周期性量子材料的庞大计算难题。助理教授何塞·拉多指出，这亦是量子技术正向反馈循环的早期范例。

“关键在于，这些新型量子算法能推动新量子材料的研发，从而构建量子计算机的新范式，在量子材料与量子计算机之间形成良性双向反馈循环。”他解释道。

该发现为构建无耗散电子器件铺平了道路，例如有助于缓解AI数据中心的热量影响。研究团队由拉多领导，成员包括论文第一作者博士生研究员蒂亚戈·安唐、QDOC博士生研究员孙一涛以及学院研究员阿道夫·富梅加。该成果近期作为编辑推荐发表于《物理评论快报》。

散落于复杂结构中的量子特性

研究聚焦具有非常规量子激发的拓扑准晶体。利用其特性至关重要，因其能保护量子材料的导电性免受致命噪声干扰，但这些特性在准晶体中分布不均。团队未直接计算准晶体的庞大体量，而是将问题转化为量子计算机的语言。

“量子计算机在指数级庞大的计算空间中运行，我们采用张量网络算法族对包含2.68亿个位点的准晶体进行编码计算。该算法展示了如何通过将问题编码为量子多体系统，以指数级加速直接解决量子材料中的巨型难题。”安唐表示。

当前算法为模拟环境中的理论计算，但实验验证与未来应用已现曙光。

“我们验证的量子启发算法能创建超出传统方法数个数量级的超莫尔准晶体。这为设计基于超莫尔材料的拓扑量子比特等应用迈出了关键一步。”拉多指出。

开辟量子计算机早期应用场景

拉多表示，该算法经调整后可植入量子计算机运行。

“当实际量子计算机达到必要规模和保真度时，我们的方法可适配运行。阿尔托Q20量子计算机与芬兰量子计算基础设施将在未来验证中发挥重要作用。”他补充道。

该研究证明，理解和设计奇异量子材料是量子算法与量子计算机首批潜在实际应用方向之一——拉多团队已为此奠定基础。

这项成果整合了芬兰量子技术的两大方向：量子材料与量子算法。它既是拉多ERC巩固基金项目“超扭转电子学”（旨在利用范德瓦尔斯材料设计拓扑量子比特）的部分成果，也隶属于卓越研究中心“量子材料”（QMAT）的研究范畴，该中心致力于推动未来数十年的量子技术发展。