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.
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.