Квантовые компьютеры используют уникальные свойства квантовой механики и способны выполнять задачи, которые для классических компьютеров остаются непосильными. Одной из таких задач является моделирование сложных квантовых систем, в том числе процессов, связанных с квантовым магнетизмом. Ведущие исследовательские группы, включая Quantinuum и партнеров из Европы и США, поставили перед собой цель реализовать цифровую симуляцию динамики квантовой модели Изинга — ключевой теоретической схемы, описывающей магнитные свойства материалов.
Исследователи представили результаты своей работы на сервере препринтов arXiv, продемонстрировав достижение состояния, известного как флоке-претермализация. Это временный режим, в котором система кажется локально стабильной, прежде чем достичь полного равновесия. Подобные состояния невозможно смоделировать на классических компьютерах из-за их чрезвычайной сложности.
Майкл Фосс-Файг из Quantinuum, ведущий автор работы, отмечает: «Симуляция эволюции во времени на цифровом квантовом компьютере — давняя цель. Достичь этого на масштабе, сравнимом или превосходящем лучшие классические методы, существенно сложнее, чем показать квантовое превосходство на искусственных задачах, например, случайном подборе цепей. До нашей работы этого еще никто не делал».
Годом ранее Фосс-Файг и его коллеги на компьютере Quantinuum впервые осуществили задачи по случайному подбору цепей, недоступные классическим системам, и добились рекордно высокой точности. Именно эти успехи, а также значительный рост точности квантовых операций за последний год, стали стимулом для перехода к более сложным симуляциям.
В текущем исследовании использовался квантовый компьютер H2 от Quantinuum, обладающий 56 кубитами. Для моделирования динамики квантовой модели Изинга, широко применяемой при изучении магнетизма и фазовых переходов, исследователи столкнулись с необходимостью дискретизации времени — разбиения непрерывной эволюции на последовательность реализуемых квантовых операций. Хотя такая дискретизация неидеальна, она позволяет воспроизводить важнейшие черты реальных физических процессов, включая энергетическую релаксацию, наблюдаемую в макроскопических системах.
В ходе симуляции удалось цифровым образом передать динамику непрерывного времени, проследив, как квантовая система эволюционирует к равновесию. Зафиксированы характерные признаки, например, гидродинамический перенос энергии — феномен, отражающий коллективное поведение в материалах.
Реза Хагшенас, руководитель направления классического тестирования в Quantinuum, подчеркивает: «Главное достижение — поддерживать эволюцию во времени с минимальным шумом и высокой точностью на масштабах, где классические методы уже не справляются. Если использовать огромные вычислительные ресурсы, можно приблизиться к нашей точности, но это возможно лишь из-за ограниченного числа кубитов — всего 56».
Этот эксперимент наглядно демонстрирует потенциал квантовых компьютеров в области моделирования квантовых систем, недоступных для классических вычислений. Уже сейчас улучшение точности квантовых операций на H2 позволяет заходить в режимы, недостижимые для классических алгоритмов. С ростом числа кубитов ученые смогут моделировать все более крупные и сложные системы, что даст новый толчок фундаментальным открытиям в физике.
В ближайших планах — запуск системы Helios с 96 кубитами, которая, по ожиданиям, позволит проводить симуляции, полностью недостижимые для современных классических суперкомпьютеров. Подобные технологические прорывы в квантовом моделировании окажут влияние на широкий круг отраслей. Квантовые компьютеры уже в ближайшем будущем смогут не только подтверждать результаты классических симуляций, но и существенно расширять их возможности там, где классические методы становятся бесполезными.
Исследователи представили результаты своей работы на сервере препринтов arXiv, продемонстрировав достижение состояния, известного как флоке-претермализация. Это временный режим, в котором система кажется локально стабильной, прежде чем достичь полного равновесия. Подобные состояния невозможно смоделировать на классических компьютерах из-за их чрезвычайной сложности.
Майкл Фосс-Файг из Quantinuum, ведущий автор работы, отмечает: «Симуляция эволюции во времени на цифровом квантовом компьютере — давняя цель. Достичь этого на масштабе, сравнимом или превосходящем лучшие классические методы, существенно сложнее, чем показать квантовое превосходство на искусственных задачах, например, случайном подборе цепей. До нашей работы этого еще никто не делал».
Годом ранее Фосс-Файг и его коллеги на компьютере Quantinuum впервые осуществили задачи по случайному подбору цепей, недоступные классическим системам, и добились рекордно высокой точности. Именно эти успехи, а также значительный рост точности квантовых операций за последний год, стали стимулом для перехода к более сложным симуляциям.
В текущем исследовании использовался квантовый компьютер H2 от Quantinuum, обладающий 56 кубитами. Для моделирования динамики квантовой модели Изинга, широко применяемой при изучении магнетизма и фазовых переходов, исследователи столкнулись с необходимостью дискретизации времени — разбиения непрерывной эволюции на последовательность реализуемых квантовых операций. Хотя такая дискретизация неидеальна, она позволяет воспроизводить важнейшие черты реальных физических процессов, включая энергетическую релаксацию, наблюдаемую в макроскопических системах.
В ходе симуляции удалось цифровым образом передать динамику непрерывного времени, проследив, как квантовая система эволюционирует к равновесию. Зафиксированы характерные признаки, например, гидродинамический перенос энергии — феномен, отражающий коллективное поведение в материалах.
Реза Хагшенас, руководитель направления классического тестирования в Quantinuum, подчеркивает: «Главное достижение — поддерживать эволюцию во времени с минимальным шумом и высокой точностью на масштабах, где классические методы уже не справляются. Если использовать огромные вычислительные ресурсы, можно приблизиться к нашей точности, но это возможно лишь из-за ограниченного числа кубитов — всего 56».
Этот эксперимент наглядно демонстрирует потенциал квантовых компьютеров в области моделирования квантовых систем, недоступных для классических вычислений. Уже сейчас улучшение точности квантовых операций на H2 позволяет заходить в режимы, недостижимые для классических алгоритмов. С ростом числа кубитов ученые смогут моделировать все более крупные и сложные системы, что даст новый толчок фундаментальным открытиям в физике.
В ближайших планах — запуск системы Helios с 96 кубитами, которая, по ожиданиям, позволит проводить симуляции, полностью недостижимые для современных классических суперкомпьютеров. Подобные технологические прорывы в квантовом моделировании окажут влияние на широкий круг отраслей. Квантовые компьютеры уже в ближайшем будущем смогут не только подтверждать результаты классических симуляций, но и существенно расширять их возможности там, где классические методы становятся бесполезными.
