Konstiga kvantpartiklar gjorda av hälften lätt och hälften materia kan vara nyckeln till att lösa några av världens mest komplexa problem.
Dessa märkliga polaritonpartiklar, kallade ”magiskt damm” av forskare från Cambridge University, uppstår som ett resultat av beteendet hos annat material och kan hjälpa till att driva nästa generation av superdatorer. Faktum är att detta damm kan hjälpa datavetare överträffa kapaciteten hos även de mest kraftfulla superdatorerna som finns idag, och hjälpa dem att hantera simuleringar som för närvarande inte troddes möjliga.
Vad är ”magiskt damm”?
Magiskt stoft består av polaritoner som är en form av kvasipartiklar, vilket betyder att de inte är partiklar i sig utan snarare uppstår som ett resultat av ett materials beteende. När det gäller att beskriva deras beteende kan de dock betraktas som partiklar i sin egen rätt.
LÄS NÄSTA: Forskare uppnår kvantteleportation med ljusmönster
Till exempel, om det finns en atomstruktur där det vid ett tillfälle kan finnas en negativt laddad elektron men det inte finns någon, orsakar detta en positiv laddning totalt sett. Denna brist på elektron kan betraktas som något i sig, och kallas ett elektronhål.
Det ”magiska dammet” skapas genom att en laser lyser mot staplade lager av atomer inklusive gallium, arsenik, indium och aluminium.
När elektronerna i atomerna absorberar ljus får de energi som sedan går förlorad igen genom att sända ut fotoner och då lyser de i en viss färg. I den nya studien visade forskarna hur man skapar polaritoner så att de hittar den minsta lösningen på ett problem. Denna väg för beteende av minsta motståndsstil utgör själva grunden för superdatorer för att hjälpa dem att köra ett större antal beräkningar och simuleringar. Som ett resultat har magiskt damm potential att vara mycket snabbare än klassisk datoranvändning, säger forskarna.
Hur kommer magiskt damm att driva framtida superdatorer?
All beräkning innebär att man kommer fram till en lösning på ett problem med så få steg som möjligt.
Sökandet efter en optimal lösning liknas vid att leta efter den lägsta punkten i en bergig terräng med dalar, diken och fall. Som forskarna förklarar kan en vandrare gå nedför och tro att de har nått den lägsta punkten i hela landskapet, men det kan ändå finnas en djupare droppe precis bakom nästa berg – de kan omöjligt veta utan att skala det andra berget, och så på. En sådan sökning kan verka skrämmande i naturlig terräng, och dess komplexitet ökar i högdimensionellt utrymme som används i datoranvändning.
”Detta är exakt problemet att ta itu med när den objektiva funktionen att minimera representerar ett verkligt problem med många okända parametrar och begränsningar”, säger professor Natalia Berloff från Cambridge University, tidningens första författare.
LÄS NÄSTA: Vad är kvantberäkning och varför beror jordens framtid på det?
Författarna intog en helt ny hållning för att ta itu med denna typ av problem. Istället för att röra sig längs terrängen på jakt efter den djupaste punkten bestämde de sig för att ’fylla’ landskapet med ett ’magiskt damm’ som bara lyser på den lägsta nivån. Detta damm visar platsen för alla möjliga lösningar vilket gör det lättare att arbeta igenom dem tills det optimala svaret uppnås. Detta, i teorin, snabbar upp hur många beräkningar en superdator kan göra per sekund och gör att de fungerar mer effektivt, vilket sparar energi och ström – båda inträdesbarriärer för de största superdatorerna.
”För några år sedan avvisades vårt rent teoretiska förslag om hur man gör detta av tre vetenskapliga tidskrifter,” sa Berloff. ”En domare sa, ’Vem skulle vara galen nog att försöka genomföra detta?’ Så vi var tvungna att göra det själva, och nu har vi bevisat vårt förslag med experimentella data.”
”Vi är bara i början av att utforska potentialen hos polaritongrafer för att lösa komplexa problem”, säger medförfattaren professor Pavlos Lagoudakis, från University of Southampton.
”Vi skalar för närvarande upp vår enhet till hundratals noder, samtidigt som vi testar dess grundläggande beräkningskraft. Det slutliga målet är en mikrochips kvantsimulator som fungerar under omgivande förhållanden.”
