科学家成功调控量子系统预热化持续时间

为实现更稳定可控的量子计算与模拟奠定基础

科幻电影《流浪地球2》中，能洞悉一切复杂演化的超级智能体“MOSS”令人惊叹。如今，真实量子世界初现实现这一能力的曙光。记者29日从中国科学院物理研究所获悉，来自该所等单位的科研人员，在一块包含78个量子比特的超导芯片“庄子2.0”上，发现并主动调控了量子系统走向混乱前的关键“缓冲期”——预热化，为未来实现更稳定、更可控的量子计算与模拟奠定了基础。相关研究成果在线发表于《自然》杂志。

量子系统的热化，是指系统在演化中逐渐达到一种平衡态，能量与信息会自然扩散并趋于均匀，就像一滴墨水滴入清水，墨迹缓缓散开，直至整杯水颜色一致，而最初的信息也在这个过程中消散。这对需要长时间保持信息不丢失的量子计算而言，是一大障碍。量子系统的预热化是热化过程中的一个中间阶段，系统虽然受到外场驱动，但不会立即进入完全混乱状态，而是停留在一个短暂的、相对稳定的平台，犹如冰在0摄氏度时持续吸热却暂不升温。这个阶段能持续多久、何时加快或减慢，过去一直是理论猜想，其复杂程度经典计算机已经无法算准。

在这项研究中，科研人员创新性地采用了一种名为“随机多极驱动”的方法来“摇晃”量子系统。“通过精心设计具有非周期性和自相似特征的驱动序列，并调节其复杂度和节奏，我们像指挥家一样，成功延长或缩短了预热化的持续时间。”论文共同通讯作者、中国科学院物理所研究员范桁说，“在‘庄子2.0’芯片上，我们清晰观测到，在平台期内，系统的混乱度增长被显著抑制；而一旦跨过平台，系统复杂度便会急剧上升，信息迅速扩散至整个系统。”

范桁表示，这项研究不仅首次在量子模拟器上实现了对超越周期驱动的预热化过程的主动调控，也为未来设计更优的量子纠错方案、延长量子比特的相干时间提供了新思路。它验证了量子模拟器在解决特定复杂问题上的独特优势，推动了量子计算与经典计算在竞争中相互促进。（记者陆成宽）