科学家借助IBM Quantum Heron芯片创制迄今最大时间晶体之一

研究团队采用新型误差缓解方法提升精度，大幅降低量子结果的不确定性。

通过创制迄今最大、最复杂的时间晶体实例，研究人员在研究这种具有奇特脆弱特性的奇异材料方面迈出了重要一步。时间晶体过去仅局限于小型一维形态，如今借助IBM量子计算机及融合量子与经典计算资源的创新方法，得以在更大尺度上进行探索。这一突破由巴斯克量子中心(BasQ)、美国国家标准与技术研究院(NIST)和IBM的研究团队在IBM Quantum Heron芯片上实现。

据团队称，这项工作展示了当今量子技术推动科学研究、解锁量子中心超级计算新可能的潜力。

时间晶体实现尺度突破

晶体是粒子形成重复抗形变图案的材料，自然界中常见的雪花、钻石或食盐皆属此类。这些常见晶体存在于热平衡态，无需能量输入即可维持结构。时间晶体则根本不同：它们不在空间中呈现重复图案，而是在时间上展现周期性规律，且只能存在于非平衡态。当能量被周期性注入某些量子系统时，粒子可锁定于稳定节律（如自旋按固定周期翻转）。值得注意的是，即使能量持续输入，这些系统仍能保持原始量子态的特征。

时间晶体极其脆弱且难以制造，需要高度可控的低噪声量子环境。此前研究人员只能研究原子线性链形成的简单一维时间晶体。更大规模、更高维度的时间晶体虽存在理论预测，但其复杂性使得经典计算机无法建模。IBM量子计算机现已改变这一局面。利用IBM Quantum Heron芯片，研究人员构建了包含144个量子比特的二维时间晶体——并非模拟，而是直接以量子比特作为量子构建单元创制该系统。在二维结构中，相互作用变得极为复杂，展现出前所未见的动力学特性。

团队指出，这项工作表明大型强健的时间晶体可存在于简化模型之外，开辟了新的研究可能。理解这些系统可推动量子材料、自旋相互作用及新兴纳米技术的研究，同时彰显量子计算探索以往无法触及物理现象的强大能力。

混合计算未来

验证量子结果是关键挑战，研究团队通过将先进经典技术与量子硬件结合予以应对。他们运用张量网络和置信传播方法模拟量子态，再将结果与量子计算机数据比对。量子计算可描述为极其庞大的张量——其数学结构之巨使得经典计算机无法直接模拟。张量网络方法通过将大张量分解为相互关联的小单元来降低复杂度，使经典计算机能以可接受的精度损失近似量子态，再通过置信传播从这些近似中提取并优化信息。

研究人员未将张量网络视为量子计算机的竞争者，而是采用量子中心超级计算的思路，用经典方法优化量子执行过程。他们在此工作中实施了新型误差缓解技术，降低了不确定性并提高量子结果准确性。这项研究指向量子处理器、CPU与GPU协同工作的未来——各自处理最擅长的任务。展望未来，团队计划利用具备更高量子比特连通性的IBM Quantum Nighthark芯片探索更复杂的时间晶体。更高的连通性将催生更丰富的动力学行为和更真实的模型。随着量子中心超级计算的持续发展，研究人员也正在探索如何利用GPU加速混合工作流中的经典计算部分。

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