中国科学家揭示量子系统热化规律 在超导芯片上实现预热化精准调控

量子系统如何从“有序”走向“热化”,是量子物理与量子信息领域长期关注的核心问题之一。

所谓热化,指量子多体系统在演化中能量与信息逐步扩散,初始态信息被“洗去”,系统呈现类似热平衡的统计特征。

对量子计算而言,热化过快往往意味着相干性更易衰减、可用量子态寿命缩短,直接影响可重复、可验证的运算与读出。

因此,弄清热化节奏并实现主动调控,是从“能做”走向“好用”的关键环节。

问题在于,在外部持续驱动的条件下,量子系统并不总是立刻进入完全混乱。

大量理论与实验提示,系统可能先进入一个相对稳定的“预热化平台”阶段:能量持续注入,但部分宏观可观测量在一段时间内保持近似不变,系统保留一定初始信息。

这一阶段既“短暂”又“可利用”,是延长量子态有效时间的重要窗口。

然而,预热化何时出现、持续多久、如何被外场塑造,长期缺乏可系统调参、可验证的实验路径,尤其是在接近“量子优势”规模的多比特体系中更为突出。

造成这一难题的深层原因,与量子多体系统的复杂性直接相关:系统的希尔伯特空间规模随量子比特数指数增长,纠缠扩散与信息传播过程极难被经典计算机在可接受时间内完整模拟。

即便在百比特量级附近,传统数值方法往往需要在精度、尺度与时间演化长度之间做痛苦权衡,导致对“预热化平台”这种介于秩序与热化之间的中间态缺乏一致刻画。

也正因此,依托可控量子器件开展量子模拟实验,被视为理解热化机制的重要现实路径。

在这一背景下,中国科学院物理研究所科研团队与北京大学合作者开展联合研究,在78个量子比特的超导量子芯片“庄子2.0”上实现了对预热化平台持续时间的精准调控。

研究采用“随机多极驱动”作为外场驱动方式,其基本单元基于具有非周期性与自相似特征的Thue-Morse序列。

团队通过调节序列阶数与驱动周期等关键参数,使系统从“较快跨越平台”到“显著延长平台”实现连续可调,从而在实验上“拨动”量子热化的节奏。

这为检验不同理论图景、厘清驱动结构与热化动力学之间的因果关系提供了可操作的实验标尺。

这一进展的影响体现在三个层面。

其一,在基础科学层面,研究在量子模拟器上系统开展超越周期与准周期范畴的随机驱动预热化研究,为理解非平衡量子动力学提供了新的实验范式。

其二,在应用层面,可调预热化意味着对量子信息保持窗口的工程化塑形:若能在特定算法或量子模拟任务中利用平台阶段延长有效演化时间,将有助于提升运算稳定性与可读出性,并为误差抑制与控制策略设计提供依据。

其三,在方法层面,团队对多种主流数值方法进行了系统比较与分析,推动建立更可靠的计算—实验对照框架,为大规模量子模拟的数值计算拓展技术思路,有助于形成经典计算与量子计算相互促进的迭代机制。

值得关注的是,“庄子2.0”并非以比特数取胜的单点突破。

本次实验体现出从方案设计、特色测控技术到芯片规模与性能协同优化的系统能力,也再次说明量子科技竞争并非简单“堆比特”,而是全链条能力的综合比拼:高质量器件、稳定控制与可解释测量同样决定研究上限。

面向下一步,围绕可调预热化的平台机制与参数边界,仍需在更长时间尺度、更复杂耦合结构以及更严格误差条件下开展验证,同时探索其与时间晶体、多体局域化等前沿议题的结合,形成可迁移、可复用的驱动与调控工具箱。

对策层面,应进一步推动实验、理论与数值方法的协同攻关:一方面加强面向非平衡量子系统的控制理论与测控技术研发,提升对驱动噪声与器件非理想因素的鲁棒性;另一方面完善与大规模实验相匹配的数值近似与验证体系,形成可快速迭代的“模型—实验—修正”闭环。

此外,建议以典型应用场景牵引,围绕量子模拟、量子材料性质计算与特定量子算法的动力学需求,建立可衡量的“平台收益”指标,把基础机制优势转化为可量化的性能改进。

前景方面,随着超导量子器件规模与质量持续提升,以及驱动调控手段日益精细化,预热化调控有望成为连接基础物理与量子信息工程的重要桥梁:既帮助回答“量子系统如何走向热化”的科学问题,也为“如何让量子系统在需要时不那么快热化”提供工程解法。

若这一思路在更广泛的量子体系与任务中得到验证,将为构建更稳定、更可控的量子平台打开新的技术空间。

从基础理论的重大发现到关键技术的自主可控,这项研究展现了我国量子科技领域从跟跑向并跑、领跑的转变。

正如科学家所言,量子革命的真正突破往往源于对微观世界运行规律的重新认识。

当人类能够精确掌控量子系统的演化节奏,距离构建实用化量子计算机的梦想将更近一步。