Квантовый компьютер плетёт невидимую нить порядка экспресс
Верёвка, сплетённая из сотни коротких нитей, может быть скручена вправо или влево. Каждая нить по отдельности не знает, куда закручена вся верёвка, но попробуйте её расплести — и разница сразу проявится. Примерно так устроены состояния, которые физики называют симметрийно-защищёнными: локально они неотличимы, а глобально — разные.
Группа исследователей взяла цепочку из ста спинов — крошечных магнитных стрелок, которые могут указывать вверх или вниз. Спины чередовались: сильная связь, слабая связь, снова сильная. Такая цепочка может находиться в двух разных скрытых фазах, и обе удалось приготовить на квантовом процессоре IBM с точностью до 97.9–99.0%.
Проверить, что фаза действительно та самая, помогли три независимых признака. Первый — нелокальный струнный порядок: если измерить спины через один на длине до двадцати узлов, выстраивается строгая закономерность, хотя соседние спины её не показывают. Второй — спектр запутанности: он имеет характерные повторяющиеся уровни, как у симметричного орнамента. Третий — краевые моды: на концах цепочки появляются «свободные» спины, которые защищены симметрией от помех.
Раньше такие состояния получали только в компьютерных симуляциях или в очень маленьких системах. Теперь их можно готовить на настоящем квантовом железе и, возможно, изучать, что происходит, когда система резко меняется во времени — задача, непосильная для обычных компьютеров.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Цепочка из ста спинов имеет $2^{100}$ возможных конфигураций — это больше, чем атомов в видимой Вселенной, но нужное состояние удалось задать всего несколькими десятками операций.