中国科学家在量子芯片上实现关键突破 成功观测并调控量子系统"预热化"现象

量子多体系统如何从有序走向混乱,是现代物理与量子信息领域长期关注的关键问题。

一般而言,在外部驱动或与环境相互作用下,量子系统的初始信息会逐步扩散,最终趋于热平衡,这一过程被称为热化。

热化意味着可观测的有序特征被“抹平”,系统内部纠缠迅速增长,呈现出高度复杂的动力学行为。

对科研人员而言,难点不仅在于观测这一演化链条,更在于能否在系统“失控”前找到可调控的窗口,从而实现对复杂过程的干预。

此次研究的突破点在于,科研团队在完全热化到来之前,捕捉到一个相对稳定的关键中间阶段——“预热化”平台期,并证明该平台期并非转瞬即逝、不可把握的偶然现象,而是能够被人为调控的动力学结构。

形象地说,系统在走向热平衡之前存在一段“缓冲时间”,在这段时间里尽管持续受到驱动,但信息扩散受到抑制,有序性仍能在一定程度上维持。

这一发现为“在混沌到来之前如何减速、如何延缓”提供了实验支撑。

从原因看,预热化平台期之所以难以被明确观测,既与量子多体系统的巨大状态空间有关,也与传统计算手段的能力边界相关。

近百比特规模的量子系统,其可能状态呈指数级增长,经典计算机进行全态模拟的代价极高,往往只能依赖近似算法或受限模型,难以完整覆盖真实动力学细节。

相较之下,量子处理器本身就是可编程的量子系统,能够直接实现目标模型的演化,因而在探索多体动力学、纠缠增长与混沌形成等问题上具备独特优势。

研究团队依托集成78个量子比特的超导量子处理器“庄子2.0”开展实验,并采用“随机多极驱动”等精细操控序列对系统施加外部驱动。

该驱动序列具有非周期特征,研究人员通过调节序列的阶数与周期,实现对“预热化”平台持续时间的主动调控,相当于为系统设定不同的“驱动节奏”。

实验进一步显示,当平台期结束,系统内部纠缠度随之迅速攀升,动力学复杂性显著增强,系统加速迈向热化状态。

团队还将量子模拟结果与先进的经典张量网络算法进行对照,体现出量子模拟在处理相关复杂动力学问题上的潜在优势。

这一进展带来的影响,首先体现在基础科学层面。

预热化平台期的实验观测与可控调节,有助于深化对量子热化、混沌形成机制及其“中间态结构”的认识,为建立更精确的多体动力学理论提供依据。

其次体现在技术应用层面。

量子信息处理面临的突出挑战之一,是噪声与不可避免的纠缠扩散导致信息快速退相干。

预热化平台的存在意味着,在信息走向不可逆消散之前可能存在可利用的时间窗口;如果能够理解并延长这一窗口,就有望为量子态制备、量子存储、纠错策略设计和稳定运行提供更现实的操作空间,从而提升量子计算装置的可靠性与可用性。

围绕“如何把窗口变得更长、更可用”,下一步对策与路径也更为清晰:一方面,需要继续提升超导量子芯片的规模与性能指标,包括相干时间、门操作保真度与系统稳定性,为更复杂的多体模型与更长时间尺度的动力学研究提供条件;另一方面,要发展更丰富、更可验证的量子调控手段,在保持可编程性的同时减少附加噪声与系统性误差,使观测到的动力学特征具备更强的可重复性与可比对性。

此外,加强量子模拟结果与经典算法的交叉验证与基准测试,将有助于明确不同方法的适用边界,推动相关研究从“现象展示”走向“可验证、可复现、可推广”的体系化积累。

从前景判断看,量子芯片在复杂动力学与多体物理方面的实验能力正快速提升。

随着器件规模扩大和控制精度提升,利用量子模拟器研究材料性质、相变机制、非平衡过程等方向的空间将进一步打开,并可能对高性能材料设计、化学反应路径分析等带来方法学启发。

与此同时,面向量子计算实用化的关键仍在于“把可控性做深、把可验证性做实”,在噪声环境下持续提升系统对信息的保护能力,推动量子计算从原理验证走向更具现实价值的应用探索。

这项研究犹如在量子世界的湍流中筑起一道临时堤坝,为驾驭微观粒子的"狂野本性"提供了科学工具。

它既是对基础物理认知的深化,更是面向国家重大需求的战略攻关。

随着量子调控精度的不断提升,人类或将真正打开量子计算实用化的大门,在新能源开发、人工智能、气候模拟等战略领域带来颠覆性变革。

这场微观世界的控制艺术,正在重新定义未来科技竞争的疆界。