В кастрюле с супом каждая крупинка — крошечный магнит, который хочет развернуться в противоположную сторону от соседа. Нагрейте суп — и магнитики начнут метаться, подчиняясь теплу. Но как узнать, насколько они непослушны при каждой температуре? Для обычного вещества это считают на мощных компьютерах, перебирая варианты. Однако в некоторых магнитных материалах, особенно на треугольных решётках вроде узора кагоме (плетёная корзинка), магнитики так сильно мешают друг другу, что компьютерный перебор даёт бессмысленные отрицательные вероятности — это называют проблемой знака.
Физики из IBM обошли эту преграду с помощью квантового компьютера. Они взяли 79 настоящих спинов (квантовых магнитиков) и соединили их с 60 дополнительными кубитами-холодильниками. Вся эта конструкция работала как умный термостат: кубиты-холодильники постоянно охлаждали или подогревали систему, пока она не приходила к равновесию — тому самому горячему состоянию, которое хотели изучить. Эксперимент длился больше тысячи слоёв квантовых операций, и система не сбивалась, а уверенно держала заданную температуру.
Самый удивительный результат — глубина схемы, то есть число операций для достижения равновесия, не росла с увеличением системы. Иными словами, неважно, греете ли вы микроскопический кристаллик или целый магнитный брусок, — квантовому термостату требуется примерно одинаковое число шагов. А вот чем ниже нужная температура, тем больше шагов: охлаждать всегда дольше, чем нагревать. В классическом мире с такими задачами часто не справляются вовсе — квантовый подход обходит проблему знака, используя не перебор, а естественную эволюцию квантовой системы.
Так квантовый компьютер превращается из вычислителя в подобие умной печи, где можно готовить и изучать магнитные материалы, которые раньше оставались загадкой. А значит, появляется шанс понять высокотемпературную сверхпроводимость или создать новые квантовые магниты, работающие при комнатной температуре.
Слово «кагоме» пришло из японского плетения корзин: узор из переплетённых треугольников напоминает традиционную решётку для бамбуковых изделий.
В романе Грега Игана «Лестница Шильда» квантовые состояния вещества используют для создания материалов с немыслимыми свойствами — почти как в этом эксперименте, только в масштабах целой вселенной.