Výzkumníci dosáhli průlomu v kvantové fyzice vytvořením dosud nejsložitějšího časového krystalu uvnitř kvantového počítače. Tento experiment nejen posouvá hranice toho, co je pro tyto exotické stavy hmoty možné, ale také zdůrazňuje rostoucí potenciál kvantových počítačů jako mocných nástrojů pro vědecké objevy.
Podivný svět krystalů času
Tradiční krystaly vykazují opakující se vzory v prostoru – jako pravidelné uspořádání atomů v diamantu. Časové krystaly však následují vzorce v čase. Namísto toho, aby zůstaly nehybné, donekonečna cyklují mezi konfiguracemi a zdánlivě odporují běžným pravidlům termodynamiky.
Zpočátku se tento věčný pohyb zdál jako porušení fyziky, ale za poslední desetiletí vědci úspěšně vytvořili časové krystaly v laboratořích. Nejnovější pokrok, vedený Nicolasem Lorentem z International Physics Center ve Španělsku, využívá supravodivý kvantový počítač IBM k vytvoření mnohem složitější verze než kdy předtím.
Od jedné dimenze k voštinové struktuře: Dvourozměrný časový krystal
Předchozí výzkum se zaměřoval především na jednorozměrné časové krystaly, které vypadají jako jednoduchá řada atomů. Lorenteho tým přijal výzvu postavit dvourozměrný časový krystal. Použili 144 supravodivých qubitů uspořádaných do voštinové struktury, přičemž každý qubit fungoval jako částice s kvantovým spinem. Pečlivým řízením interakcí mezi těmito qubity vyvolaly chování časového krystalu.
Klíčem bylo nejen vytvoření časového krystalu, ale také naprogramování interakcí, aby se vytvořily určité síly a vzorce. Tato úroveň kontroly jim umožnila vytvořit „fázový diagram“ systému – v podstatě komplexní mapu zobrazující všechny možné stavy. Stejně jako fázový diagram vody, který ukazuje, zda je v kapalném, pevném nebo plynném stavu, tato mapa podrobně popisuje chování kvantového systému.
Proč na tom záleží: Kvantové počítače jako nástroje materiálového designu
Jamie Garcia z IBM, který není spojen s výzkumem, naznačuje, že tento experiment by mohl být prvním krokem k využití kvantových počítačů k navrhování nových materiálů. Pochopení celé řady vlastností kvantového systému – dokonce i neobvyklých, jako jsou časové krystaly – by mohlo způsobit revoluci ve vědě o materiálech.
V současné době je simulace komplexních kvantových modelů pro konvenční počítače příliš obtížná, často vyžadující aproximace. Ale i existující kvantové počítače jsou nedokonalé: jsou náchylné k chybám. Tento výzkum vyžadoval hybridní přístup: použití tradičních metod k odhadu, kde se výsledky kvantového počítače stanou nespolehlivé, a poté použití přesných (ačkoli chybných) výpočtů kvantového počítače.
Budoucnost kvantových simulací
Biao Huang z Čínské akademie věd poznamenává, že modelování 2D systémů je obzvláště obtížné numericky. Tento experiment, využívající více než 100 qubitů, poskytuje důležité měřítko pro budoucí výzkum. Navíc by to mohlo překlenout mezeru mezi časovými krystaly modelovanými na kvantových počítačích a podobnými stavy nalezenými v kvantových senzorech.
Tato práce představuje vzrušující experimentální pokrok v několika oblastech výzkumu kvantové hmoty. Zejména by to mohlo pomoci propojit časové krystaly, které lze simulovat na kvantových počítačích, s podobnými stavy, které lze vytvořit v některých typech kvantových senzorů.
Kombinace přibližných klasických metod a přesných (ale nedokonalých) kvantových výpočtů prohloubí naše chápání složitých kvantových modelů a potenciálně otevře nové průlomy v materiálovém designu i mimo něj.
Tento úspěch posiluje myšlenku, že kvantové počítače nejsou jen rychlejší procesory; Jedná se o principiálně odlišné stroje, schopné řešit problémy, které jsou pro klasické výpočty nedostupné.
