Самый сложный из когда-либо созданных временных кристаллов был получен внутри квантового компьютера.

Используя сверхпроводящий квантовый компьютер, физики создали большую и сложную версию необычного квантового материала, имеющего повторяющуюся во времени структуру.

В квантовом компьютере создан временной кристалл, более сложный, чем любой из созданных ранее. Изучение свойств этой необычной квантовой установки подтверждает перспективность квантовых компьютеров как машин, хорошо подходящих для научных открытий.

В обычных кристаллах атомы расположены в определенном повторяющемся пространственном порядке, тогда как временные кристаллы определяются повторяющимся во времени порядком. Временной кристалл многократно проходит через один и тот же набор конфигураций и, если не будет пагубного влияния окружающей среды, должен продолжать этот цикл бесконечно.

Изначально это неопределенное движение заставляло считать временные кристаллы угрозой фундаментальным законам физики, но за последнее десятилетие исследователи создали несколько таких кристаллов в лаборатории. Теперь Николас Лоренте из Международного физического центра Доностии в Испании и его коллеги использовали сверхпроводящий квантовый компьютер IBM для создания беспрецедентно сложного временного кристалла.

Реклама

В то время как большинство предыдущих исследований были сосредоточены на одномерных временных кристаллах, которые можно сравнить с аккуратной линией атомов, исследователи поставили перед собой задачу создать двумерную версию. Для этого они использовали 144 сверхпроводящих кубита, расположенных в переплетающемся порядке, приблизительно напоминающем соты. Каждый кубит вел себя аналогично квантово-механическому спину, и команда могла контролировать взаимодействие соседних кубитов друг с другом.

Изменение этих взаимодействий во времени и привело к созданию временного кристалла, но исследователи также смогли запрограммировать взаимодействия на более сложную схему изменения их интенсивности, чем в предыдущих экспериментах по квантовым вычислениям с использованием временных кристаллов.

Достижение этого нового уровня сложности позволило команде не только создать временной кристалл, более сложный, чем любой из созданных ранее с помощью квантового компьютера, но и начать составлять карту характеристик всей системы кубитов для получения ее «фазовой диаграммы». Составление фазовой диаграммы является важным шагом для понимания свойств материала — фазовая диаграмма воды, например, показывает, находится ли вода в жидком, твердом или газообразном состоянии при заданной температуре и давлении.

Джейми Гарсия из IBM говорит, что этот эксперимент может стать первым из многих шагов, которые в конечном итоге приведут к тому, что квантовые компьютеры помогут в разработке новых материалов, основанных на более полной картине всех возможных свойств, которыми может обладать квантовая система, включая такие необычные, как временные кристаллы.

Новое понимание причинно-следственных связей могло бы исправить фатальный недостаток квантовой теории.

Квантовая теория не может объяснить, как реальность, которую мы воспринимаем, возникает из мира частиц. Новый взгляд на причинно-следственную связь в квантовой теории мог бы заполнить этот пробел.

Модель, которую исследователи пытались воспроизвести, имеющая временной кристалл на своей фазовой диаграмме, уже достаточно сложна, чтобы обычные компьютеры не могли смоделировать её без приближений. В то же время все существующие квантовые компьютеры страдают от ошибок, поэтому исследователям пришлось использовать эти традиционные методы для оценки того, где квантовый результат может стать ненадежным. По словам Гарсии, такое чередование приближенных традиционных методов и точных, но подверженных ошибкам квантовых подходов может в будущем углубить наше понимание многих сложных квантовых моделей материалов.

«Численное моделирование двумерных систем на практике представляет собой очень сложную задачу, поэтому крупномасштабное квантовое моделирование с более чем 100 кубитами должно стать отправной точкой для будущих исследований», — говорит Бяо Хуан из Университета Китайской академии наук. Он отмечает, что новое исследование представляет собой захватывающий экспериментальный прогресс в нескольких областях изучения квантовой материи. В частности, по словам Хуана, оно может помочь связать временные кристаллы, которые можно моделировать на квантовых компьютерах, с аналогичными состояниями, которые могут быть созданы в некоторых типах квантовых датчиков.

Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-025-67787-1

Источник: www.newscientist.com