我国量子研究取得重大突破 超导芯片实验揭示热化调控新机制

问题:量子尺度上,许多系统并不会像经典直觉那样“越加热越混乱”;当外界持续注入能量时,量子系统的热化过程可能会出现短暂“停顿”:在走向完全混乱之前,系统会进入一个相对稳定的阶段,即“预热化”。这个阶段何时出现、能持续多久、何时转为加速或减缓,直接关系到人们能否更准确地理解并控制量子多体系统的演化。然而,量子关联与信息扩散高度复杂,涉及的计算往往超出传统方法可承受的范围,长期以来都是量子物理与量子信息领域的难点。 原因:从机理上看,预热化并不是“能量没有进入系统”,而是系统对外界驱动的响应呈现分阶段的动力学:外部能量输入与系统内部的信息扩散、纠缠增长等过程并不同步。在一定条件下,系统会在一段时间内维持近似稳定的宏观表征,表现为类似“平台”的行为。驱动方式(如强度、频率、脉冲节奏等)以及系统自身的相互作用结构,共同决定平台是否形成、能维持多久,以及从平台走向快速热化的“转折点”在哪里。换言之,热化并非单一速度的过程,而可能呈现节奏变化。 影响:此次研究依托包含78个量子比特的超导量子芯片“庄子2.0”开展实验,不仅在实验中观察到预热化平台现象,还给出了可调控的规律性结果,显示通过设计外部驱动的方式与节奏,可以在一定范围内调节量子系统热化的快慢与各阶段持续时间。这一进展优势在于多重意义:一是为量子多体动力学提供了重要实验依据,有助于完善相关理论;二是凸显量子芯片在量子模拟上——当系统规模增大、状态快速复杂化时,经典计算资源需求往往呈指数增长,难以精确追踪,而量子器件可更贴近物理过程进行验证与探索;三是对量子信息处理的工程实践具有启示。若能更好掌握热化与信息扩散规律,将有助于理解噪声、退相干等现象的演化路径,为提升量子器件稳定性与可控性提供参考。 对策:面向下一步发展,业内普遍认为需要“实验可控性”“理论可解释性”“可重复验证”三上同步推进:其一,持续提升量子芯片的操控精度与一致性,在更丰富的驱动协议和参数空间中开展系统扫描,建立可对比、可复用的数据基准;其二,加强理论与实验的闭环检验,围绕预热化的形成条件、稳定性边界,以及从预热化到快速热化的关键触发机制开展更细致的模型验证;其三,将研究拓展到更大规模、更长时间演化及更多物理模型中,推动从现象记录走向规律提炼,并继续探索可控应用路径。 前景:预热化节奏的可掌握性,意味着人们对复杂量子系统的研究正在从“能否观察”走向“能否调控”。在基础研究层面,这将推动对非平衡量子物理、量子混沌与信息热化等前沿方向的深入探索;在应用层面,量子模拟被视为连接基础物理与未来技术的重要桥梁,相关成果有望为新材料机理研究、复杂化学反应路径探索以及高维参数优化等提供新的实验工具与思路。随着量子器件规模、可靠性与控制策略持续进步,更多传统计算难以承受的复杂动力学问题,有望在可验证的实验平台上取得突破。

量子世界的复杂性远超直观想象,但通过持续的科学研究,这些规律正逐步被揭示并转化为可操作的控制手段。从发现预热化平台到展示可调控特征,这项成果表明我国科研团队正在以实验与数据推进量子计算与量子模拟的发展。随着对量子系统认识的不断深化以及量子芯片性能与控制能力的提升,量子计算从理论走向实用的进程有望深入加快。