基于“莊子2.0”芯片實驗 中國團隊離理解和控制量子世界更近一步

　　中新網(wǎng)北京1月29日電 (記者 孫自法)中國科學院物理研究所1月29日向媒體通報，該所科研團隊與北京大學合作者最近在一塊包含78個量子比特的超導芯片“莊子2.0”上進行實驗，不僅發(fā)現(xiàn)反直覺的預熱化平臺及可控規(guī)律，還展示出量子芯片在模擬復雜系統(tǒng)上的獨特優(yōu)勢。

　　科研團隊稱，就像科幻電影里依賴量子計算的超級智能體能預測復雜演化一樣，此次實驗研究表明，現(xiàn)實中的量子計算機也能掌握那些經(jīng)典計算機算不清的節(jié)奏�！巴ㄟ^這樣的研究，我們離理解和控制高度復雜的量子世界，又更近了一步”。

　　這項量子芯片實驗重要發(fā)現(xiàn)及研究進展的相關論文，北京時間1月29日凌晨在國際學術期刊《自然》上線發(fā)表，中國科學院物理研究所范桁研究員、許凱副研究員、相忠誠副主任工程師和北京大學趙宏政助理教授為論文共同通訊作者。

　　何為量子系統(tǒng)熱化及預熱化

　　他們解讀說，量子系統(tǒng)的熱化是指一個量子多體系統(tǒng)在演化過程中，能量和信息逐漸均勻分布，最終達到類似熱平衡的狀態(tài)。熱化研究對量子計算非常關鍵，理解熱化規(guī)律有助于設計可控量子操作、延長量子態(tài)壽命，直接影響量子計算的實用性。

　　預熱化則是熱化過程的一個中間階段，系統(tǒng)雖然受到外場驅動，但不會立即進入完全混亂狀態(tài)，而是停留在一個短暫的、相對穩(wěn)定的平臺上，在這個階段，系統(tǒng)仍能保留初始狀態(tài)的信息。該現(xiàn)象反直覺的原因在于，按常理強驅動會讓系統(tǒng)快速走向熱平衡，但預熱化顯示，熱化并非單調不可控，而是可以出現(xiàn)可觀察、可調的中間狀態(tài)，為量子信息保存提供可能。

　　現(xiàn)實中給一塊冰升溫，一開始溫度上升很快，隨后進入冰和水共存的階段，此時即便繼續(xù)加熱，溫度依舊長時間卡在零攝氏度不再上升，因為能量被用來融冰而不是升溫。與此類似，量子系統(tǒng)獲外界不斷輸入能量，但系統(tǒng)并沒有立刻變得混亂，而是停留在一個相對穩(wěn)定的預熱化平臺�？茖W家通過改變熱化的方式和節(jié)奏，可以調節(jié)平臺的持續(xù)時間。

　　預熱化平臺觀察到什么特點

　　這次實驗中觀察到的預熱化平臺表現(xiàn)為系統(tǒng)在完全熱化前的穩(wěn)定階段。其特點包括“系統(tǒng)仍保留大部分初始信息，熵增長受抑制”“平臺持續(xù)時間可調，取決于驅動的階數(shù)和周期”“隨著演化繼續(xù)，系統(tǒng)糾纏迅速增長，信息擴散呈體積律，說明系統(tǒng)的復雜度大幅增加”。

　　科研團隊指出，這些特點顯示，預熱化不僅是短暫現(xiàn)象，而且具有可控性，是量子系統(tǒng)動力學的重要規(guī)律。

　　對于接近百比特的量子系統(tǒng)，經(jīng)典計算機模擬即使使用最先進的張量網(wǎng)絡算法，也難以在合理時間和精度下完整描述糾纏增長和信息擴散。而量子計算平臺本身就是量子系統(tǒng)，因此可以自然演化并觀測這些復雜動力學，實現(xiàn)經(jīng)典計算無法完成的模擬。

　　如何規(guī)劃量子芯片未來發(fā)展

　　科研團隊表示，78比特量子芯片能完成本次重要實驗，并非單純依賴比特數(shù)堆砌就能實現(xiàn)，而是方案設計創(chuàng)新、特色測控技術、芯片規(guī)模和性能共同作用的結果，涉及到全流程系統(tǒng)性的研究，也是實驗-數(shù)值-理論協(xié)同攻堅的結果。

　　目前的實驗方案屬于國際首次在量子模擬器上實現(xiàn)超越周期(準周期)的隨機驅動的可調預熱化的系統(tǒng)性的研究，為人工驅動調控量子系統(tǒng)拓寬了新的研究方向，可以與時間晶體，多體局域化等熱點問題相結合。此外，本項研究還為數(shù)值進行大規(guī)模量子模擬提供了新的技術思路，有助于量子-經(jīng)典在競爭中互相促進與發(fā)展。

　　比特數(shù)增多是實現(xiàn)更大規(guī)模、聯(lián)機量子計算實驗的重要基礎�？蒲袌F隊透露，未來將研制百比特以上更大規(guī)模超導量子芯片，實現(xiàn)多種比特耦合架構和高精度操控技術，實驗探索更復雜的量子系統(tǒng)問題，力爭展現(xiàn)“可驗證的實用化量子優(yōu)勢”。(完)