科學家借助IBM Quantum Heron芯片創制迄今最大時間晶體之一

研究團隊采用新型誤差緩解方法提升精度，大幅降低量子結果的不確定性。

通過創制迄今最大、最復雜的時間晶體實例，研究人員在研究這種具有奇特脆弱特性的奇異材料方面邁出了重要一步。時間晶體過去僅局限于小型一維形態，如今借助IBM量子計算機及融合量子與經典計算資源的創新方法，得以在更大尺度上進行探索。這一突破由巴斯克量子中心(BasQ)、美國國家標準與技術研究院(NIST)和IBM的研究團隊在IBM Quantum Heron芯片上實現。

據團隊稱，這項工作展示了當今量子技術推動科學研究、解鎖量子中心超級計算新可能的潛力。

時間晶體實現尺度突破

晶體是粒子形成重復抗形變圖案的材料，自然界中常見的雪花、鉆石或食鹽皆屬此類。這些常見晶體存在于熱平衡態，無需能量輸入即可維持結構。時間晶體則根本不同：它們不在空間中呈現重復圖案，而是在時間上展現周期性規律，且只能存在于非平衡態。當能量被周期性注入某些量子系統時，粒子可鎖定于穩定節律（如自旋按固定周期翻轉）。值得注意的是，即使能量持續輸入，這些系統仍能保持原始量子態的特征。

時間晶體極其脆弱且難以制造，需要高度可控的低噪聲量子環境。此前研究人員只能研究原子線性鏈形成的簡單一維時間晶體。更大規模、更高維度的時間晶體雖存在理論預測，但其復雜性使得經典計算機無法建模。IBM量子計算機現已改變這一局面。利用IBM Quantum Heron芯片，研究人員構建了包含144個量子比特的二維時間晶體——并非模擬，而是直接以量子比特作為量子構建單元創制該系統。在二維結構中，相互作用變得極為復雜，展現出前所未見的動力學特性。

團隊指出，這項工作表明大型強健的時間晶體可存在于簡化模型之外，開辟了新的研究可能。理解這些系統可推動量子材料、自旋相互作用及新興納米技術的研究，同時彰顯量子計算探索以往無法觸及物理現象的強大能力。

混合計算未來

驗證量子結果是關鍵挑戰，研究團隊通過將先進經典技術與量子硬件結合予以應對。他們運用張量網絡和置信傳播方法模擬量子態，再將結果與量子計算機數據比對。量子計算可描述為極其龐大的張量——其數學結構之巨使得經典計算機無法直接模擬。張量網絡方法通過將大張量分解為相互關聯的小單元來降低復雜度，使經典計算機能以可接受的精度損失近似量子態，再通過置信傳播從這些近似中提取并優化信息。

研究人員未將張量網絡視為量子計算機的競爭者，而是采用量子中心超級計算的思路，用經典方法優化量子執行過程。他們在此工作中實施了新型誤差緩解技術，降低了不確定性并提高量子結果準確性。這項研究指向量子處理器、CPU與GPU協同工作的未來——各自處理最擅長的任務。展望未來，團隊計劃利用具備更高量子比特連通性的IBM Quantum Nighthark芯片探索更復雜的時間晶體。更高的連通性將催生更豐富的動力學行為和更真實的模型。隨著量子中心超級計算的持續發展，研究人員也正在探索如何利用GPU加速混合工作流中的經典計算部分。

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