Магнитные материалы иногда ведут себя как спорщики, которые не могут договориться: одни связи между атомами тянут в одну сторону, другие — в противоположную. Когда таких конфликтов много, система «фрустрирована» — она не может найти единое состояние покоя. Добавьте к этому квантовые флуктуации, и расчёт того, где материал потеряет намагниченность, превращается в кошмар для обычных компьютеров.
Учёные взяли квантовый отжигатель D-Wave Advantage2 с 729 спинами и посчитали критические точки для семейства моделей, где ферромагнитные и антиферромагнитные связи конкурируют. Классические методы здесь пасуют из-за «проблемы знака» — математической ловушки, которая делает вычисления экспоненциально сложными. А квантовая машина выдала конкретные числа: критические поля квантовых переходов оказались равны 0.286, 0.210, 0.156 и 0.093 для разных геометрий.
Главный сюрприз — резкая смена режима. Для трёх квазиодномерных структур подавление классической стабильности одинаково: квантовые флуктуации уничтожают ровно 55% «окна» ферромагнетизма, независимо от анизотропии связей. Но при переходе к двумерной геометрии это подавление скачком уменьшается. Такой ступенчатый профиль указывает на скрытую универсальность: квантовый хаос действует одинаково в широком классе систем, пока размерность не меняется.
Работа показывает, что квантовые симуляторы уже сейчас способны решать задачи, перед которыми пасуют суперкомпьютеры. Это не просто абстрактная физика: понимание фазовых переходов в запутанных магнитах нужно для создания новых материалов — от спинтроники до квантовых технологий.
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.24311
Quantum magnets in the $$M\mathrm{Nb_2O_6}$$ and BaCo$$_2$$V$$_2$$O$$_8$$ families realise frustrated transverse-field Ising models whose competing ferromagnetic and antiferromagnetic couplings generate a sign problem provably intractable for quantum Monte Carlo at any system size, leaving their quantum phase boundaries numerically Inaccessible. Using a D-Wave Advantage2 quantum annealer at $$L\leq27$$ (729 spins), we obtain the large-$$L$$ critical points for this model family, measuring quantum-driven transitions at $${g_c^{\mathrm{QPU}}}\in\{0.286,\,0.210,\,0.156,\,0.093\}$$ for $$\alpha\in\{1.0,\,0.7,\,0.5,\,0.3\}$$, where the analytically exact classical threshold is $${g_c^{\mathrm{class}}}(\alpha)=2\alpha/3$$. The suppression ratio $$r(\alpha)$$ exhibits a sharp two-regime structure: the three quasi-1D geometries ($$\alpha\leq0.7$$) are mutually consistent with a universal plateau $$\bar{r}=0.450$$ ($$\chi^2/\mathrm{dof}=1.10$$, $$p=0.33$$), demonstrating that quantum fluctuations destroy approximately $$55\%$$ of the classical FM stability window independently of coupling anisotropy, while $$r$$ steps down to the 2D limit above the empirical crossover scale $$\alpha^*\approx0.7$$. Inner Binder cumulant pairs, which converge fastest to the thermodynamic limit, resolve $$r(1.0)\approx0.412$$ and a step $$\Delta r=0.038\pm0.015$$ from the quasi-1D plateau. A four-point linear fit $$r(\alpha)=0.494-0.063\,\alpha$$ summarises both regimes; its $$\alpha\to0$$ intercept recovers the exact 1D result of Pfeuty within 1.7 standard deviations, and its slope is a lower bound on the true crossover amplitude concentrated in $$\alpha\in[\alpha^*,1]$$. Two sequential blind predictions, confirmed at $$0.2\sigma$$ and $$0.7\sigma$$ before each measurement, validate the crossover law. All four geometries show a direct ferromagnet-to-paramagnet transition, complete quantum ergodicity ($$f_{\rm uniq}=1.000$$), and null valence-bond solid order.
Проблема знака, из-за которой классические компьютеры не могут посчитать такие системы, возникает, когда вероятности в квантовой механике становятся отрицательными — как если бы монетка иногда выпадала «минус орлом».
В сериале «Разрабы» квантовый компьютер используется для симуляции сложных физических систем, что перекликается с идеей квантового отжигателя, решающего нерешаемые классически задачи.