Оцифрованная контрдиабатическая квантовая критическая динамика

Почему это важно для будущих квантовых машин

По мере роста квантовых компьютеров они обещают решить сложные задачи в химии, материаловедении и оптимизации. Но есть загвоздка: если квантовую систему приводят в движение слишком быстро через чувствительный фазовый переход, она склонна «сбиваться», оставляя дефекты, которые портят итоговый результат. В этой работе показано, что хитрый метод управления, называемый контрдиабатическим вождением, может резко сократить количество таких дефектов даже при быстром переходе — предлагая практический способ получать более точные ответы на современных шумных квантовых процессорах.

Пересечение хрупкой квантовой точки невозврата

Многие физические системы, от магнитов в твердом теле до ранней Вселенной, проходят фазовые переходы, при которых порядок внезапно возникает. Близко к таким критическим точкам системе становится очень трудно успевать за изменениями. Если изменять управляющие параметры слишком быстро, разные участки теряют синхрон и формируют домены, разделённые топологическими дефектами — «изгибами» или вихрями, отмечающими места, где направление порядка меняется. В квантовых версиях этих переходов это поведение описывает квантовый механизм Киббла–Зюра — он предсказывает, что плотность дефектов падает лишь медленно по мере удлинения времени перехода. Для реалистичных квантовых компьютеров, где операции должны успеть завершиться до того, как шум возьмёт верх, просто замедляться нельзя.

Ведение системы дополнительной «рукой»

Вместо того чтобы надеяться на медленную эволюцию, авторы используют набор идей, известных как «короткие пути к адиабатичности». В частности, они реализуют контрдиабатическое вождение: дополнительный, тщательно сконструированный член в квантовом гамильтониане, который противодействует нежелательным возбуждениям, возникающим при быстром переходе. При удачном подборе этот вспомогательный контроль позволяет системе следовать тому же траекторному пути, что и при бесконечно медленной эволюции, но за гораздо более короткое время. Поскольку реальное оборудование не может реализовать произвольные взаимодействия, команда использует приближённую локальную версию этого дополнительного члена, сконструированную так, чтобы её можно было скомпилировать в гейты на сверхпроводящих квантовых чипах.

Проверка идеи на больших квантовых процессорах

Исследователи изучают модель-аутсайдер в квантовой магнитности — модель Изинга в поперечном поле, которая проходит переход от неупорядоченной парамагнитной фазы к упорядоченной ферромагнитной фазе. Они реализуют эту модель цифровым способом на облачных квантовых процессорах IBM с числом кубитов до 156, располагая кубиты в нескольких геометриях: длинная одномерная цепочка, лестница, квадратичная решётка и родная для IBM тяжёлая гексагональная компоновка. В каждом случае они быстро проводят систему через фазовый переход как с контрдиабатическим членом, так и без него, а затем подсчитывают, сколько «изгибов» появляется в конечной картине спинов. Помимо среднего числа дефектов, они также изучают полное распределение — включая дисперсию и скошенность — чтобы проверить внутреннюю динамику.

Меньше дефектов, даже при быстром движении

Эксперименты показывают, что в режиме быстрого перехода, где обычное масштабирование Киббла–Зюра нарушается и плотность дефектов обычно выходит на высокий плато, контрдиабатическое вождение заметно понижает этот плато. В цепочке из 100 кубитов средняя плотность дефектов сокращается почти вдвое по сравнению со стандартным цифровым отжигом. Подобные, хотя и зависящие от геометрии, сокращения наблюдаются и в двумерных расположениях, где классические симуляции затруднены. При очень быстрых прогонках неконтролируемая система едва покидает своё начальное состояние, тогда как контрдиабатический протокол всё же сдвигает её в сторону упорядоченной фазы, создавая меньше стен доменов. Измеренные тенденции близко согласуются с точными расчётами в одном измерении и с продвинутыми симуляциями на матрично-произведённых состояниях в более высоких измерениях, по крайней мере до тех пор, пока шум оборудования не начинает доминировать.

Что это значит для квантовых технологий

Проще говоря, исследование демонстрирует, что можно быстро провести квантовую систему через хрупкий переход и всё же получить гораздо более чистое, упорядоченное состояние — если добавить подходящую направляющую силу. Это делает контрдиабатические протоколы многообещающим инструментом для квантовой оптимизации и подготовки состояний, где дополнительные дефекты напрямую означают ошибочные или низкокачественные ответы. Подтвердив эти идеи на больших процессорах нынешнего поколения и в режимах, недоступных простым классическим симуляциям, работа указывает практический путь к более надёжным квантовым устройствам для изучения новых материалов и решения сложных вычислительных задач.

Цитирование: Visuri, AM., Gomez Cadavid, A., Bhargava, B.A. et al. Digitized counterdiabatic quantum critical dynamics. npj Quantum Inf 12, 47 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01208-z

Ключевые слова: квантовые фазовые переходы, контрдиабатическое управление, квантовое отжигание, топологические дефекты, сверхпроводящие кубиты