问题——外界持续驱动下,量子系统如何吸收能量、扩散信息并最终走向热平衡,是量子多体动力学的核心议题之一;长期以来,人们往往用“不断加热必然更快混乱”的直觉去理解热化过程,但实际量子系统可能出现“预热化”现象:系统在进入完全热化前,会停留在一个短暂却稳定的阶段,表现为能量输入与内部重排之间形成动态“平台”。该平台持续多久、何时结束、如何受驱动方式影响,直接关系到量子态的稳定性与可控性,也是经典计算手段难以准确预测的难点。 原因——量子系统的热化并非仅由能量注入决定,还与相互作用、信息传播速度以及外部驱动的节奏与随机性密切对应的。当驱动不再是简单周期,而是包含准周期或随机成分时,系统可能在“吸收能量”和“重组内部结构”之间形成新的时间尺度分离:外界能量持续注入,但内部信息并未立刻完全扩散,从而出现预热化平台。正因存在多重竞争机制,热化过程可能被“减速”或“重排”,并呈现可调窗口。要对这一过程进行可重复、可比较、可参数化的研究,需要能够在可控条件下模拟并追踪量子多体随时间演化的实验平台,这也是传统理论计算与经典计算资源难以单独完成的部分。 影响——此次我国科研团队依托78比特超导量子芯片“庄子2.0”,在量子模拟器上实现对超越周期(准周期)随机驱动条件下可调预热化的系统性研究,属于在相关方向上的重要进展。其意义主要体现在三上:一是为理解“外驱动量子系统为何会先稳定、后混乱”提供实验支撑,使预热化从现象描述走向参数化、可调控的动力学研究;二是为探索复杂量子系统的信息扩散、纠缠增长等关键过程提供新的观察窗口,有助于完善量子热化理论框架;三是为工程应用提供启示——如果能够通过驱动方案延长或缩短预热化平台,就可能在一定时间尺度上维持量子态结构,从而服务于量子信息处理、量子材料性质模拟以及其他需要“在演化中保持可控”的场景。 对策——面向后续研究与应用转化,关键在于将“可调预热化”从特定实验条件下的可观测结果,继续沉淀为可复用的方法体系与评价指标。其一,推进驱动策略的系统设计与对比研究,在随机、准周期、复合驱动等不同方案中建立可迁移规律,明确哪些参数对平台时长与热化速率最敏感;其二,强化实验与理论的闭环验证,在可测量的能量吸收、关联函数、信息扩散表征之间建立更清晰的对应关系,提升对复杂动力学的解释力;其三,围绕量子芯片与量子模拟器能力建设,持续提升比特规模、相干时间与操控精度,完善误差表征与抑制手段,使实验结果更稳定、更可重复,为跨平台验证与多中心复现实验创造条件。 前景——从国际研究趋势看,量子热化、预热化以及在外驱动下的非平衡相变,是连接基础物理与可控量子技术的重要交汇点。随着量子器件规模扩大与控制手段精细化,量子模拟器将在“经典算不动、理论难闭合”的问题上发挥更大作用。此次成果提示,通过更丰富的驱动结构与节奏设计,有望把“热化”从被动过程转变为可工程化调控对象:既能用于检验非平衡理论,也可能为未来量子算法、量子材料模拟与相关技术路径提供新的可控时间窗口。可以预期,围绕预热化平台的可预测性、可延展性以及与噪声、误差之间的关系,将成为下一阶段的重要攻关方向。
从宏观热力学到量子尺度,能量演化规律表现出跨尺度的相似性;中国团队在量子预热化调控上的突破,既深化了基础物理认知,也为量子技术应用开辟了新路径。随着量子计算技术的进步,该领域必将为解决复杂科学问题提供更强有力的工具。