144 кубита, два измерения и ритм вместо структуры. IBM собрала самый сложный временной кристалл в истории

Исследователи сделали большой шаг в изучении временных кристаллов, редких квантовых объектов с хрупкими и необычными свойствами. Команда смогла создать один из самых крупных и сложных примеров такого типа за все время наблюдений. Речь идет не о теоретической схеме и не о компьютерной симуляции, а о реальной физической системе, собранной на базе квантового процессора IBM.

До недавнего времени такие структуры удавалось изучать только в самых простых вариантах. Обычно это были одномерные формы, напоминающие цепочки атомов, где взаимодействие происходило лишь вдоль одной линии. Более сложные многомерные конфигурации существовали только в расчетах. Их поведение было слишком сложным для классических компьютеров, которые не способны точно воспроизводить подобные квантовые процессы.

Прорыв стал возможен благодаря чипу IBM Quantum Heron. На нем физики из Basque Quantum, Национального института стандартов и технологий США (NIST) и IBM собрали двумерный временной кристалл из 144 кубитов. В этой работе кубиты выступали не как элементы вычислительной логики, а как строительные компоненты самой структуры. В итоге получилась физическая система, а не ее математическая абстракция.

Чтобы понять значение результата, важно разобраться, что вообще такое временные кристаллы. Обычные кристаллы, вроде соли, алмаза или снежинок, устроены так, что их частицы образуют устойчивый узор в пространстве. Эта структура остается неизменной сама по себе и не требует постоянной подпитки энергией. Временные кристаллы работают по другому принципу. У них нет фиксированного пространственного узора, зато появляется регулярность во времени. Квантовая система начинает вести себя как «часы»: одни и те же процессы повторяются с заданным ритмом. Частицы не замирают в структуре, а входят в устойчивый цикл изменений, который сохраняется даже при постоянной подаче энергии. Именно эта периодичность во времени и делает такие системы принципиально отличными от привычных форм.

Подобные системы крайне чувствительны к шуму и внешним помехам. Для их существования нужны очень стабильные условия, поэтому долгое время ученые могли работать только с простыми линейными моделями. Переход к двумерной конфигурации резко усложняет картину взаимодействий. Появляются новые типы динамики, которые раньше просто нельзя было зафиксировать экспериментально.

Полученный двумерный временной кристалл показал, что такие структуры возможны не только в упрощенных схемах, но и в более сложных формах. Это открывает новые направления для исследований квантовых материалов, спиновой физики и процессов, которые могут оказаться важными для будущих нано- и квантовых технологий.

Проверка результатов - отдельная задача в подобных экспериментах. Квантовые расчеты невозможно просто пересчитать на обычном компьютере, потому что объем данных слишком велик. Команда решила эту проблему с помощью гибридного подхода. Для этого применялись классические методы, включая тензорные сети и алгоритмы распространения вероятностей (belief propagation), которые позволяют приближенно описывать квантовые состояния. Эти инструменты разбивают сложные математические конструкции на более простые части и дают приближенные значения, которые затем сравниваются с результатами работы квантового процессора.

Классические алгоритмы здесь не подменяют квантовую технику, а дополняют ее. Их используют для снижения погрешностей и повышения точности расчетов. Такой формат работы называют квантово-ориентированными вычислениями, когда квантовые процессоры, обычные CPU и графические ускорители работают совместно, каждый в своей роли.

В дальнейшем команда собирается переходить к более сложным временным кристаллам и работать с ними уже на чипах IBM Quantum Nighthark. У этих процессоров больше связей между кубитами, поэтому на них можно собирать более сложные системы с богатым поведением и более «живыми» взаимодействиями между элементами. Параллельно исследователи проверяют, как графические ускорители могут ускорить классические расчеты, которые сопровождают квантовые эксперименты. В итоге постепенно складывается схема, где квантовые компьютеры и обычные вычислительные системы работают вместе как единая среда для научных исследований.