Физики собрали «вечные часы» внутри квантового компьютера. Рассказываем о странном открытии IBM

Представьте материал, который «пульсирует» сам по себе, не в пространстве, как обычный кристалл, а во времени. Его частицы снова и снова возвращаются к одному и тому же ритму, будто встроенные часы. Звучит как фантастика, но именно такие «кристаллы времени» уже несколько лет обсуждают физики, и теперь у них появился один из самых крупных и сложных примеров, который удалось не просто посчитать на бумаге, а реально собрать и измерить.

Команда исследователей из Basque Quantum (BasQ), Национального института стандартов и технологий США (NIST) и IBM сделала это на квантовом процессоре IBM Quantum Heron. Раньше кристаллы времени удавалось изучать в очень простых вариантах, обычно как одномерные цепочки частиц. Теперь речь идет о системе на 144 кубитах, причем в двух измерениях. Это важный шаг, потому что «плоская» структура сразу делает взаимодействия намного богаче: появляется динамика, которую в линейной цепочке просто не увидеть.

Обычные кристаллы знакомы всем. В них частицы выстраиваются в повторяющийся рисунок, который сопротивляется деформации. Снежинки, алмазы, поваренная соль, все это примеры структурной упорядоченности в пространстве. И главное: такие кристаллы живут в тепловом равновесии, им не нужно постоянно «подпитывать» порядок энергией, чтобы не развалиться.

Кристаллы времени устроены иначе. Их повторяемость проявляется не в расположении частиц, а в поведении во времени, и существовать они могут только вне равновесия. Если периодически «подталкивать» квантовую систему энергией, некоторые ее параметры способны зафиксироваться в устойчивом ритме. Например, спины могут переворачиваться с четкой регулярностью, как маятник. При этом система удивительным образом сохраняет «следы» исходного квантового состояния даже тогда, когда энергия продолжает проходить сквозь нее.

Проблема в том, что такие состояния очень хрупкие. Им нужна среда с минимальными помехами и очень точный контроль, иначе ритм распадается. Поэтому долгое время ученые были вынуждены довольствоваться простыми, маленькими и по сути «линейными» примерами. Более крупные и более высокоразмерные кристаллы времени обсуждались теоретически, но их сложность упиралась в вычисления: классическим компьютерам крайне трудно просчитывать поведение больших квантовых систем.

Здесь и пригодились квантовые вычисления. Исследователи использовали кубиты как «строительные блоки» и собрали двухмерный кристалл времени на самом квантовом оборудовании, а не попытались полностью смоделировать его на обычном суперкомпьютере. Именно в этом и смысл результата: речь не о красивой картинке из расчетов, а о созданной системе, поведение которой можно напрямую измерять.

Но появляется другой острый вопрос: как проверить, что квантовый компьютер действительно показал то, что нужно, если классический компьютер не справляется с точным расчетом той же самой задачи. Команда решала это гибридным способом, соединяя квантовые вычисления и продвинутые классические методы. Для приближенного описания состояния использовали тензорные сети, которые позволяют разложить гигантскую математическую конструкцию на связанный набор меньших частей. Затем применили алгоритмы распространения вероятностей, чтобы извлечь и уточнить информацию из этих приближений, а результаты сравнили с данными с квантового процессора.

При этом классические методы здесь выступали не как «соперники», а как усилители: они помогали лучше запускать квантовые вычисления и снижать влияние ошибок. Исследователи внедрили новые приемы подавления ошибок, которые уменьшили неопределенность и сделали итоговые данные точнее. В целом работа укладывается в идею «квантово-ориентированных» вычислений, где квантовые процессоры, центральные процессоры и графические ускорители работают вместе, каждый делает то, что у него получается лучше всего.

Дальше команда планирует двигаться к еще более сложным кристаллам времени на процессорах IBM Quantum Nighthawk. У них выше связность кубитов, а значит можно строить модели с более богатой внутренней жизнью и приближаться к более реалистичным сценариям взаимодействий. Параллельно исследователи смотрят, как ускорить классическую часть таких гибридных расчетов на графических ускорителях, потому что именно связка «квантовое железо плюс сильная классика» сейчас выглядит самым практичным путем к новым открытиям.