Исследователи добились прорыва в квантовой физике, создав самый сложный на сегодняшний день кристалл времени внутри квантового компьютера. Этот эксперимент не только расширяет границы возможного для этих экзотических состояний материи, но и подчеркивает растущий потенциал квантовых компьютеров как мощных инструментов для научных открытий.
Странный Мир Кристаллов Времени
Традиционные кристаллы демонстрируют повторяющиеся узоры в пространстве — например, регулярное расположение атомов в алмазе. Кристаллы времени, однако, повторяют узоры во времени. Вместо того, чтобы оставаться неподвижными, они бесконечно циклически переходят между конфигурациями, казалось бы, нарушая обычные правила термодинамики.
Первоначально это вечное движение казалось нарушением физики, но за последнее десятилетие ученые успешно создавали кристаллы времени в лабораториях. Последнее достижение, возглавленное Николасом Лоренте из Международного физического центра в Испании, использует сверхпроводящий квантовый компьютер IBM для создания гораздо более сложной версии, чем когда-либо прежде.
От Одного Измерения к Сотовой Структуре: Двумерный Кристалл Времени
Предыдущие исследования в основном фокусировались на одномерных кристаллах времени, похожих на простую линию атомов. Команда Лоренте приняла вызов построения двумерного кристалла времени. Они использовали 144 сверхпроводящих кубита, расположенных в виде сотовой структуры, где каждый кубит действовал как частица с квантовым спином. Тщательно контролируя взаимодействия между этими кубитами, они индуцировали поведение кристалла времени.
Ключом было не только создание кристалла времени, но и программирование взаимодействий для получения определенных прочностей и закономерностей. Этот уровень контроля позволил им составить «фазовую диаграмму» системы — по сути, исчерпывающую карту, показывающую все возможные состояния. Подобно фазовой диаграмме воды, показывающей, находится ли она в жидком, твердом или газообразном состоянии, эта карта детализирует поведение квантовой системы.
Почему Это Важно: Квантовые Компьютеры Как Инструменты Проектирования Материалов
Джейми Гарсия из IBM, не связанный с исследованием, предполагает, что этот эксперимент может быть первым шагом к использованию квантовых компьютеров для проектирования новых материалов. Понимание всего спектра свойств квантовой системы — даже необычных, таких как кристаллы времени — может революционизировать материаловедение.
В настоящее время моделирование сложных квантовых моделей слишком сложно для обычных компьютеров, часто требующее приближений. Но даже существующие квантовые компьютеры несовершенны: они подвержены ошибкам. Для этого исследования потребовался гибридный подход: использование традиционных методов для оценки того, где результаты квантового компьютера становятся ненадежными, а затем использование точных (хотя и подверженных ошибкам) вычислений квантового компьютера.
Будущее Квантовых Симуляций
Бяо Хуан из Китайской академии наук отмечает, что моделирование двухмерных систем особенно сложно численно. Этот эксперимент, с использованием более 100 кубитов, обеспечивает важный эталон для будущих исследований. Более того, он может преодолеть разрыв между кристаллами времени, смоделированными на квантовых компьютерах, и аналогичными состояниями, найденными в квантовых датчиках.
Эта работа представляет собой захватывающий экспериментальный прогресс в нескольких областях изучения квантовой материи. В частности, она может помочь связать кристаллы времени, которые можно смоделировать на квантовых компьютерах, с аналогичными состояниями, которые можно создать в некоторых типах квантовых датчиков.
Сочетание приближенных классических методов и точных (но несовершенных) квантовых вычислений углубит наше понимание сложных квантовых моделей, потенциально открывая новые прорывы в проектировании материалов и за их пределами.
Это достижение укрепляет идею о том, что квантовые компьютеры — это не просто более быстрые процессоры; это принципиально другие машины, способные решать задачи, недоступные для классических вычислений.
