Компания D-Wave Systems продемонстрировала топологический фазовый переход, использовав свой 2048-кубитный компьютер на основе квантового отжига. Эта сложная квантовая симуляция материалов — важный шаг на пути отказа от трудоемких и дорогих физических исследований и разработок.

Работа о полученных результатах опубликована в журнале Nature. Это серьезный шаг в области квантовых вычислений, который также показал, что полностью программируемый квантовый компьютер D-Wave можно использовать в качестве точного симулятора квантовых систем в крупных масштабах. Методы, использованные в этой работе, могут серьезно повлиять на разработку новых материалов. Это исследование вышло вскоре после работы D-Wave, опубликованной в журнале Science, в которой был описан другой тип фазового перехода в квантовой симуляции спинового стекла. Оба исследования демонстрируют гибкость и многосторонность квантового компьютера D-Wave в квантовой симуляции материалов — в дополнение к другим задачам, включая оптимизацию и машинное обучение.

В начале 1970-х физики-теоретики Вадим Березинский, Дж. Майкл Костерлиц и Дэвид Тоулесс предсказали новое состояние материи, отличающееся нетривиальными топологическими свойствами. Работа получила Нобелевскую премию по физике в 2016 году. Исследователи из D-Wave продемонстрировали этот феномен, запрограммировав систему D-Wave 2000Q на формирование двухмерной фрустрированной решетки с искусственными спинами. Наблюдаемые топологические свойства в симулированной системе не могут существовать без квантовых эффектов и очень близко сходятся с теоретическими предсказаниями.

«Эта работа представляет собой прорыв в симуляции физических систем, невозможных при других условиях, — заявил лауреат Нобелевской премии 2016 года доктор Дж. Майкл Костерлиц. — Тест воспроизводит большинство ожидаемых результатов, что является выдающимся достижением. Это вселяет надежду, что будущие квантовые симуляторы смогут исследовать более сложные и малопонятные системы так, чтобы результаты симуляций можно было расценивать в качестве моделей физических систем. Я с нетерпением жду будущих применений этого метода симуляции».

Геометрически фрустрированные решетки в симуляции D-Wave / © D-Wave Systems

«Работа, описанная в статье Nature, представляет собой поворотный пункт в области квантовых вычислений: впервые теоретически предсказанное состояние материи было реализовано в квантовой симуляции до того, как было представлено в реальном магнитном материале, — говорит доктор Мохаммед Амин, ведущий физик в D-Wave. — Это важный шаг на пути к достижению цели квантового моделирования, позволяющий изучить свойства материала до его производства в лаборатории, которое сегодня может быть очень дорогостоящим и трудоемким».