基于“庄子2.0”芯片实验 中国团队离理解和控制量子世界更近一步
中新网北京1月29日电 (记者 孙自法)中国科学院物理研究所1月29日向媒体通报，该所科研团队与北京大学合作者最近在一块包含78个量子比特的超导芯片“庄子2.0”上进行实验，不仅发现反直觉的预热化平台及可控规律，还展示出量子芯片在模拟复杂系统上的独特优势。
科研团队称，就像科幻电影里依赖量子计算的超级智能体能预测复杂演化一样，此次实验研究表明，现实中的量子计算机也能掌握那些经典计算机算不清的节奏。“通过这样的研究，我们离理解和控制高度复杂的量子世界，又更近了一步”。
RMD驱动及“庄子2.0”超导量子芯片预热化示意图，不同的驱动模式能够控制预热化的快慢。中国科学院物理研究所 供图这项量子芯片实验重要发现及研究进展的相关论文，北京时间1月29日凌晨在国际学术期刊《自然》上线发表，中国科学院物理研究所范桁研究员、许凯副研究员、相忠诚副主任工程师和北京大学赵宏政助理教授为论文共同通讯作者。
何为量子系统热化及预热化
他们解读说，量子系统的热化是指一个量子多体系统在演化过程中，能量和信息逐渐均匀分布，最终达到类似热平衡的状态。热化研究对量子计算非常关键，理解热化规律有助于设计可控量子操作、延长量子态寿命，直接影响量子计算的实用性。
预热化则是热化过程的一个中间阶段，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、相对稳定的平台上，在这个阶段，系统仍能保留初始状态的信息。该现象反直觉的原因在于，按常理强驱动会让系统快速走向热平衡，但预热化显示，热化并非单调不可控，而是可以出现可观察、可调的中间状态，为量子信息保存提供可能。
本项研究在实验室拍摄的显微镜下观察小尺寸芯片。中国科学院物理研究所 供图现实中给一块冰升温，一开始温度上升很快，随后进入冰和水共存的阶段，此时即便继续加热，温度依旧长时间卡在零摄氏度不再上升，因为能量被用来融冰而不是升温。与此类似，量子系统获外界不断输入能量，但系统并没有立刻变得混乱，而是停留在一个相对稳定的预热化平台。科学家通过改变热化的方式和节奏，可以调节平台的持续时间。
预热化平台观察到什么特点
这次实验中观察到的预热化平台表现为系统在完全热化前的稳定阶段。其特点包括“系统仍保留大部分初始信息，熵增长受抑制”“平台持续时间可调，取决于驱动的阶数和周期”“随着演化继续，系统纠缠迅速增长，信息扩散呈体积律，说明系统的复杂度大幅增加”。
科研团队指出，这些特点显示，预热化不仅是短暂现象，而且具有可控性，是量子系统动力学的重要规律。
对于接近百比特的量子系统，经典计算机模拟即使使用最先进的张量网络算法，也难以在合理时间和精度下完整描述纠缠增长和信息扩散。而量子计算平台本身就是量子系统，因此可以自然演化并观测这些复杂动力学，实现经典计算无法完成的模拟。
如何规划量子芯片未来发展
科研团队表示，78比特量子芯片能完成本次重要实验，并非单纯依赖比特数堆砌就能实现，而是方案设计创新、特色测控技术、芯片规模和性能共同作用的结果，涉及到全流程系统性的研究，也是实验-数值-理论协同攻坚的结果。
本项研究的芯片图及RMD协议(上图)，以及在实验室拍摄的78比特超导量子计算芯片“庄子2.0”。中国科学院物理研究所 供图目前的实验方案属于国际首次在量子模拟器上实现超越周期(准周期)的随机驱动的可调预热化的系统性的研究，为人工驱动调控量子系统拓宽了新的研究方向，可以与时间晶体，多体局域化等热点问题相结合。此外，本项研究还为数值进行大规模量子模拟提供了新的技术思路，有助于量子-经典在竞争中互相促进与发展。
比特数增多是实现更大规模、联机量子计算实验的重要基础。科研团队透露，未来将研制百比特以上更大规模超导量子芯片，实现多种比特耦合架构和高精度操控技术，实验探索更复杂的量子系统问题，力争展现“可验证的实用化量子优势”。(完)
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