حاسوب كمومي ينسج خيطًا خفيًا من النظام سريع
حبل مضفور من مئة خيط قصير قد يكون ملتويًا إلى اليمين أو إلى اليسار. كل خيط على حدة لا يعرف اتجاه التواء الحبل كله، لكن حاول فك ضفره وستظهر الفروق فورًا. هذه هي طبيعة الحالات التي يسميها الفيزيائيون "المحمية بالتناظر" (symmetry-protected): فهي غير قابلة للتمييز محليًا، لكنها مختلفة عالميًا.
أخذ فريق من الباحثين سلسلة من مئة مغزل (spin) — وهي أسهم مغناطيسية صغيرة يمكن أن تشير إلى الأعلى أو الأسفل. تناوبت المغازل في قوة الترابط: ترابط قوي، ترابط ضعيف، ثم قوي مرة أخرى. يمكن لهذه السلسلة أن تتواجد في طورين خفيين مختلفين، وقد نجحوا في تحضيرهما على معالج كمومي من IBM بدقة تتراوح بين 97.9% و99.0%.
ساعدت ثلاث علامات مستقلة في التحقق من أن الطور هو بالفعل الطور المطلوب. الأولى: النظام السلسلي غير الموضعي (nonlocal string order) — إذا قمت بقياس المغازل على مسافات متباعدة حتى عشرين عقدة، يظهر نمط صارم، بينما لا تظهره المغازل المتجاورة. الثانية: طيف التشابك (entanglement spectrum) — له مستويات متكررة مميزة، مثل زخرفة متناظرة. الثالثة: الأنماط الحدودية (edge modes) — تظهر عند طرفي السلسلة مغازل "حرة" محمية بالتناظر من الاضطرابات.
سابقًا، كانت هذه الحالات تُحضر فقط في المحاكاة الحاسوبية أو في أنظمة صغيرة جدًا. الآن يمكن تحضيرها على عتاد كمومي حقيقي، وربما دراسة ما يحدث عندما يتغير النظام فجأة مع الزمن — وهي مهمة تفوق قدرة الحواسيب العادية.
الملخص الأصلي
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2603.06325
Symmetry-protected topological (SPT) phases extend the Landau paradigm of quantum matter by admitting distinct symmetry-preserving phases that lack any local order parameter. Demonstrating these phases at scale on programmable quantum processors is a key milestone in using quantum hardware to probe emergent many-body phenomena, yet it is impeded by the circuit depth normally required to capture non-trivial entanglement. Here we use a tensor network based approximate quantum compiling (AQC) protocol to construct shallow quantum circuits (18-39 CNOT depth), which prepare 100-site ground states of the spin-1/2 bond-alternating Heisenberg chain in both SPT phases, to 97.9-99.0% fidelity. Upon executing the circuits on IBM quantum hardware, the resulting states exhibit all defining signatures of SPT order including non-local string order for strings of up to length 20, characteristic degeneracies in the entanglement spectrum and clear evidence of symmetry-protected edge modes. The simultaneous observation of these independent diagnostics establishes current quantum computers as versatile platforms for large-scale studies of symmetry-protected quantum matter. More broadly, our results establish a practical foundation for probing non-equilibrium quench dynamics of such systems in regimes that challenge classical computational methods.
سلسلة من مئة مغزل لها $2^{100}$ تكوينًا محتملاً — وهذا أكثر من عدد الذرات في الكون المرئي، ومع ذلك أمكن تحديد الحالة المطلوبة ببضع عشرات من العمليات فقط.