Дослідники досягли прориву в квантовій фізиці, створивши найскладніший на сьогодні кристал часу всередині квантового комп’ютера. Цей експеримент не лише розширює межі того, що можливо для цих екзотичних станів матерії, але й підкреслює зростаючий потенціал квантових комп’ютерів як потужних інструментів для наукових відкриттів.
Дивний світ кристалів часу
Традиційні кристали демонструють повторювані візерунки в просторі, як правильне розташування атомів у алмазі. Кристали часу, однак, слідують шаблонам у часі. Замість того щоб залишатися нерухомими, вони нескінченно змінюють конфігурації, здавалося б, порушуючи нормальні правила термодинаміки.
Спочатку цей вічний рух здавався порушенням фізики, але за останнє десятиліття вчені успішно створили кристали часу в лабораторіях. Останнє досягнення під керівництвом Ніколаса Лоренте з Міжнародного фізичного центру в Іспанії використовує надпровідний квантовий комп’ютер IBM для створення набагато складнішої версії, ніж будь-коли раніше.
Від одного виміру до стільникової структури: двовимірний кристал часу
Попередні дослідження в основному були зосереджені на одновимірних кристалах часу, які виглядають як проста лінія атомів. Команда Лоренте прийняла завдання створити двовимірний кристал часу. Вони використовували 144 надпровідні кубіти, організовані в стільникову структуру, причому кожен кубіт діяв як частинка з квантовим спіном. Ретельно контролюючи взаємодію між цими кубітами, вони індукували поведінку кристала часу.
Ключ полягав не лише у створенні кристала часу, а й у програмуванні взаємодії для створення певних сильних сторін і шаблонів. Цей рівень контролю дозволив їм створити «фазову діаграму» системи — по суті повну карту, що показує всі можливі стани. Подібно до фазової діаграми води, яка показує, чи знаходиться вона в рідкому, твердому чи газоподібному стані, ця карта детально описує поведінку квантової системи.
Чому це важливо: квантові комп’ютери як інструменти проектування матеріалів
Джеймі Гарсія з IBM, який не пов’язаний з дослідженням, припускає, що цей експеримент може стати першим кроком до використання квантових комп’ютерів для проектування нових матеріалів. Розуміння повного спектру властивостей квантової системи — навіть таких незвичайних, як кристали часу — могло б революціонізувати матеріалознавство.
Наразі симуляція складних квантових моделей надто складна для звичайних комп’ютерів, часто потребуючи наближень. Але навіть існуючі квантові комп’ютери недосконалі: вони схильні до помилок. Для цього дослідження потрібен був гібридний підхід: використання традиційних методів для оцінки того, де результати квантового комп’ютера стають ненадійними, а потім використання точних (хоча й схильних до помилок) обчислень квантового комп’ютера.
Майбутнє квантового моделювання
Бяо Хуан з Академії наук Китаю зазначає, що моделювання двовимірних систем особливо складне чисельно. Цей експеримент із використанням понад 100 кубітів є важливим орієнтиром для майбутніх досліджень. Більше того, це могло б подолати розрив між кристалами часу, змодельованими на квантових комп’ютерах, і подібними станами, виявленими в квантових датчиках.
Ця робота представляє захоплюючий експериментальний прогрес у кількох областях дослідження квантової матерії. Зокрема, це може допомогти зв’язати кристали часу, які можна моделювати на квантових комп’ютерах, із подібними станами, які можна створити в деяких типах квантових датчиків.
Поєднання наближених класичних методів і точних (але недосконалих) квантових обчислень поглибить наше розуміння складних квантових моделей, потенційно відкриваючи нові прориви в дизайні матеріалів і не тільки.
Це досягнення підтверджує ідею, що квантові комп’ютери — це не просто швидші процесори; Це принципово інші машини, здатні вирішувати завдання, недоступні класичним обчисленням.
