Naukowcy osiągnęli przełom w fizyce kwantowej, tworząc najbardziej złożony jak dotąd kryształ czasu wewnątrz komputera kwantowego. Eksperyment ten nie tylko przesuwa granice możliwości tych egzotycznych stanów materii, ale także podkreśla rosnący potencjał komputerów kwantowych jako potężnych narzędzi odkryć naukowych.
Dziwny świat kryształów czasu
Tradycyjne kryształy wykazują powtarzające się wzory w przestrzeni — niczym regularne rozmieszczenie atomów w diamencie. Jednakże kryształy czasu podążają za wzorcami w czasie. Zamiast pozostać nieruchome, w nieskończoność przełączają się między konfiguracjami, pozornie przeciwstawiając się normalnym zasadom termodynamiki.
Początkowo ten nieustanny ruch wydawał się naruszeniem fizyki, ale w ciągu ostatniej dekady naukowcom z powodzeniem udało się stworzyć kryształy czasu w laboratoriach. Najnowsze osiągnięcie, kierowane przez Nicolasa Lorente z Międzynarodowego Centrum Fizyki w Hiszpanii, wykorzystuje nadprzewodzący komputer kwantowy IBM do stworzenia znacznie bardziej złożonej wersji niż kiedykolwiek wcześniej.
Od jednego wymiaru do struktury plastra miodu: dwuwymiarowy kryształ czasu
Poprzednie badania skupiały się głównie na jednowymiarowych kryształach czasu, które wyglądają jak prosta linia atomów. Zespół Lorente podjął wyzwanie zbudowania dwuwymiarowego kryształu czasu. Wykorzystali 144 kubity nadprzewodzące ułożone w strukturę plastra miodu, przy czym każdy kubit działał jak cząstka o spinie kwantowym. Uważnie kontrolując interakcje między tymi kubitami, wywołali zachowanie kryształu czasu.
Kluczem było nie tylko stworzenie kryształu czasu, ale także programowanie interakcji w celu wytworzenia pewnych mocnych stron i wzorców. Ten poziom kontroli pozwolił im stworzyć „diagram fazowy” systemu – zasadniczo kompleksową mapę pokazującą wszystkie możliwe stany. Podobnie jak diagram fazowy wody, pokazujący, czy jest ona w stanie ciekłym, stałym czy gazowym, ta mapa szczegółowo opisuje zachowanie układu kwantowego.
Dlaczego to ma znaczenie: komputery kwantowe jako narzędzia do projektowania materiałów
Jamie Garcia z IBM, który nie jest powiązany z badaniami, sugeruje, że ten eksperyment może być pierwszym krokiem w kierunku wykorzystania komputerów kwantowych do projektowania nowych materiałów. Zrozumienie pełnego zakresu właściwości układu kwantowego – nawet tak niezwykłych, jak kryształy czasu – mogłoby zrewolucjonizować naukę o materiałach.
Obecnie symulowanie złożonych modeli kwantowych jest zbyt trudne dla konwencjonalnych komputerów i często wymaga przybliżeń. Ale nawet istniejące komputery kwantowe są niedoskonałe: są podatne na błędy. Badania te wymagały podejścia hybrydowego: wykorzystania tradycyjnych metod do oszacowania, gdzie wyniki komputera kwantowego stają się niewiarygodne, a następnie wykorzystania dokładnych (choć podatnych na błędy) obliczeń komputera kwantowego.
Przyszłość symulacji kwantowych
Biao Huang z Chińskiej Akademii Nauk zauważa, że modelowanie systemów 2D jest szczególnie trudne numerycznie. Eksperyment ten, wykorzystujący ponad 100 kubitów, stanowi ważny punkt odniesienia dla przyszłych badań. Co więcej, mogłoby wypełnić lukę między kryształami czasu modelowanymi na komputerach kwantowych a podobnymi stanami obserwowanymi w czujnikach kwantowych.
Ta praca stanowi ekscytujący postęp eksperymentalny w kilku obszarach badań nad materią kwantową. W szczególności mogłoby to pomóc w połączeniu kryształów czasu, które można symulować na komputerach kwantowych, z podobnymi stanami, które można wytworzyć w niektórych typach czujników kwantowych.
Połączenie przybliżonych metod klasycznych i precyzyjnych (choć niedoskonałych) obliczeń kwantowych pogłębi naszą wiedzę na temat złożonych modeli kwantowych, potencjalnie otwierając nowe przełomy w projektowaniu materiałów i nie tylko.
To osiągnięcie utwierdza w przekonaniu, że komputery kwantowe to nie tylko szybsze procesory; Są to zasadniczo różne maszyny, zdolne do rozwiązywania problemów niedostępnych dla klasycznej informatyki.
