Физици сглобиха „вечен часовник“ в квантов компютър. Повече за странното откритие на IBM

Представете си материал, който „пулсира“ сам по себе си не в пространството като обикновен кристал, а във времето. Частиците му се връщат към един и същ ритъм отново и отново, сякаш е часовник. Звучи като научна фантастика, но именно такива „времеви кристали“ обсъждат физиците от няколко години, а сега те разполагат с един от най-големите и сложни примери, който са успели не просто да изчислят на хартия, а действително да съберат и измерят в реалност.

Екип от изследователи от Basque Quantum (BasQ), Националния институт за стандарти и технологии на САЩ (NIST) и IBM успяха да постигнат това, използвайки квантовия процесор Quantum Heron на IBM. Досега „времевите кристали“ можеха да се изследват в много прости варианти, обикновено като едноизмерни вериги от частици. Сега става дума за система със 144 кюбита, в две измерения. Това е важна стъпка, защото „плоската“ структура веднага прави взаимодействията много по-богати: има динамика, която в линейна верига просто не може да се види.

Обикновените кристали са познати на всички. В тях частиците се подреждат в повтарящ се модел, който е устойчив на деформация. Снежинките, диамантите, готварската сол – всичко това са примери за структурна подреденост в пространството. И най-важното: такива кристали живеят в топлинно равновесие, не е необходимо постоянно да „захранват“ реда с енергия, за да не се разрушат.

„Времевите кристали“ са устроени по друг начин. Тяхната повторяемост се проявява не в разположението на частиците, а в поведението им във времето. Те могат да съществуват само извън равновесие.

Ако периодично „подтикваме” квантовата система с енергия, някои от нейните параметри могат да се фиксират в устойчив ритъм. Например, спиновете могат да се обръщат с ясна регулярност, като махало. При това системата по удивителен начин запазва „следите” от първоначалното квантово състояние, дори когато енергията продължава да преминава през нея.

Проблемът е, че такива състояния са много крехки. Те се нуждаят от среда с минимални смущения и много прецизен контрол, в противен случай ритъмът се разпада. Затова дълго време учените бяха принудени да се задоволяват с прости, малки и по същество „линейни“ примери. По-големи и по-високоразмерни кристали на времето бяха обсъждани теоретично, но тяхната сложност се сблъскваше с изчисленията: класическите компютри изпитват изключителни затруднения при изчисляването на поведението на големи квантови системи.

Тук се оказаха полезни квантовите изчисления. Изследователите използваха кюбитите като „тухли“ и събраха двуизмерен времеви кристал на самата квантова апаратура, а не се опитаха да го моделират изцяло на обикновен суперкомпютър. Именно в това е смисълът на резултата: не става дума за красива картинка от изчисления, а за истинска система, чието поведение може да се измерва директно.

Възниква обаче и друг належащ въпрос: как да се провери дали квантовият компютър наистина е показал необходимото, ако класическият компютър не успява да изчисли точно същия проблем. Екипът решава този проблем по хибриден начин, като комбинира квантови компютри и усъвършенствани класически методи.

Те са използвали тензорни мрежи, които позволяват гигантска математическа конструкция да бъде разложена на свързан набор от по-малки части, за да се приближат до описанието на състоянието. След това приложили алгоритми за разпространение на вероятности, за да извлекат и усъвършенстват информацията от тези апроксимации, и сравнили резултатите с данни от квантов процесор.

В този случай класическите методи тук действаха не като „съперници“, а като „съюзници“: те помогнаха за по-доброто управление на квантовите изчисления и за намаляване на въздействието на грешките. Изследователите въведоха нови техники за потискане на грешките, които намалиха неопределеността и направиха крайните данни по-точни. Като цяло работата се вписва в идеята за „квантово-центрични“ изчисления, при които квантовите процесори, централните процесори и графичните ускорители работят заедно, като всеки от тях прави това, което умее най-добре.

По-нататък екипът планира да премине към още по-сложни времеви кристали на процесори IBM Quantum Nighthawk. Те имат по-висока свързаност на кюбитите, което означава, че е възможно да се изградят модели с по-богат вътрешен живот и да се подходи към по-реалистични сценарии на взаимодействия. Успоредно с това изследователите търсят как да ускорят класическата част на такива хибридни изчисления върху графични ускорители, защото именно пакетът „квантово желязо плюс силна класика“ сега изглежда като най-практичния път към нови открития.