研究團隊采用新型誤差緩解方法提升精度，大幅降低量子結(jié)果的不確定性。

通過創(chuàng)制迄今最大、最復(fù)雜的時間晶體實例，研究人員在研究這種具有奇特脆弱特性的奇異材料方面邁出了重要一步。時間晶體過去僅局限于小型一維形態(tài)，如今借助IBM量子計算機及融合量子與經(jīng)典計算資源的創(chuàng)新方法，得以在更大尺度上進行探索。這一突破由巴斯克量子中心(BasQ)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和IBM的研究團隊在IBM Quantum Heron芯片上實現(xiàn)。

據(jù)團隊稱，這項工作展示了當(dāng)今量子技術(shù)推動科學(xué)研究、解鎖量子中心超級計算新可能的潛力。

時間晶體實現(xiàn)尺度突破

晶體是粒子形成重復(fù)抗形變圖案的材料，自然界中常見的雪花、鉆石或食鹽皆屬此類。這些常見晶體存在于熱平衡態(tài)，無需能量輸入即可維持結(jié)構(gòu)。時間晶體則根本不同：它們不在空間中呈現(xiàn)重復(fù)圖案，而是在時間上展現(xiàn)周期性規(guī)律，且只能存在于非平衡態(tài)。當(dāng)能量被周期性注入某些量子系統(tǒng)時，粒子可鎖定于穩(wěn)定節(jié)律（如自旋按固定周期翻轉(zhuǎn)）。值得注意的是，即使能量持續(xù)輸入，這些系統(tǒng)仍能保持原始量子態(tài)的特征。

時間晶體極其脆弱且難以制造，需要高度可控的低噪聲量子環(huán)境。此前研究人員只能研究原子線性鏈形成的簡單一維時間晶體。更大規(guī)模、更高維度的時間晶體雖存在理論預(yù)測，但其復(fù)雜性使得經(jīng)典計算機無法建模。IBM量子計算機現(xiàn)已改變這一局面。利用IBM Quantum Heron芯片，研究人員構(gòu)建了包含144個量子比特的二維時間晶體——并非模擬，而是直接以量子比特作為量子構(gòu)建單元創(chuàng)制該系統(tǒng)。在二維結(jié)構(gòu)中，相互作用變得極為復(fù)雜，展現(xiàn)出前所未見的動力學(xué)特性。

團隊指出，這項工作表明大型強健的時間晶體可存在于簡化模型之外，開辟了新的研究可能。理解這些系統(tǒng)可推動量子材料、自旋相互作用及新興納米技術(shù)的研究，同時彰顯量子計算探索以往無法觸及物理現(xiàn)象的強大能力。

混合計算未來

驗證量子結(jié)果是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，研究團隊通過將先進經(jīng)典技術(shù)與量子硬件結(jié)合予以應(yīng)對。他們運用張量網(wǎng)絡(luò)和置信傳播方法模擬量子態(tài)，再將結(jié)果與量子計算機數(shù)據(jù)比對。量子計算可描述為極其龐大的張量——其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)之巨使得經(jīng)典計算機無法直接模擬。張量網(wǎng)絡(luò)方法通過將大張量分解為相互關(guān)聯(lián)的小單元來降低復(fù)雜度，使經(jīng)典計算機能以可接受的精度損失近似量子態(tài)，再通過置信傳播從這些近似中提取并優(yōu)化信息。

研究人員未將張量網(wǎng)絡(luò)視為量子計算機的競爭者，而是采用量子中心超級計算的思路，用經(jīng)典方法優(yōu)化量子執(zhí)行過程。他們在此工作中實施了新型誤差緩解技術(shù)，降低了不確定性并提高量子結(jié)果準(zhǔn)確性。這項研究指向量子處理器、CPU與GPU協(xié)同工作的未來——各自處理最擅長的任務(wù)。展望未來，團隊計劃利用具備更高量子比特連通性的IBM Quantum Nighthark芯片探索更復(fù)雜的時間晶體。更高的連通性將催生更豐富的動力學(xué)行為和更真實的模型。隨著量子中心超級計算的持續(xù)發(fā)展，研究人員也正在探索如何利用GPU加速混合工作流中的經(jīng)典計算部分。

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