基于“莊子2.0”芯片實(shí)驗(yàn) 中國(guó)團(tuán)隊(duì)離理解和控制量子世界更近一步

　　中新網(wǎng)北京1月29日電 (記者 孫自法)中國(guó)科學(xué)院物理研究所1月29日向媒體通報(bào)，該所科研團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)合作者最近在一塊包含78個(gè)量子比特的超導(dǎo)芯片“莊子2.0”上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅發(fā)現(xiàn)反直覺(jué)的預(yù)熱化平臺(tái)及可控規(guī)律，還展示出量子芯片在模擬復(fù)雜系統(tǒng)上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　科研團(tuán)隊(duì)稱，就像科幻電影里依賴量子計(jì)算的超級(jí)智能體能預(yù)測(cè)復(fù)雜演化一樣，此次實(shí)驗(yàn)研究表明，現(xiàn)實(shí)中的量子計(jì)算機(jī)也能掌握那些經(jīng)典計(jì)算機(jī)算不清的節(jié)奏�！巴ㄟ^(guò)這樣的研究，我們離理解和控制高度復(fù)雜的量子世界，又更近了一步”。

　　這項(xiàng)量子芯片實(shí)驗(yàn)重要發(fā)現(xiàn)及研究進(jìn)展的相關(guān)論文，北京時(shí)間1月29日凌晨在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表，中國(guó)科學(xué)院物理研究所范桁研究員、許凱副研究員、相忠誠(chéng)副主任工程師和北京大學(xué)趙宏政助理教授為論文共同通訊作者。

　　何為量子系統(tǒng)熱化及預(yù)熱化

　　他們解讀說(shuō)，量子系統(tǒng)的熱化是指一個(gè)量子多體系統(tǒng)在演化過(guò)程中，能量和信息逐漸均勻分布，最終達(dá)到類似熱平衡的狀態(tài)。熱化研究對(duì)量子計(jì)算非常關(guān)鍵，理解熱化規(guī)律有助于設(shè)計(jì)可控量子操作、延長(zhǎng)量子態(tài)壽命，直接影響量子計(jì)算的實(shí)用性。

　　預(yù)熱化則是熱化過(guò)程的一個(gè)中間階段，系統(tǒng)雖然受到外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，但不會(huì)立即進(jìn)入完全混亂狀態(tài)，而是停留在一個(gè)短暫的、相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)上，在這個(gè)階段，系統(tǒng)仍能保留初始狀態(tài)的信息。該現(xiàn)象反直覺(jué)的原因在于，按常理強(qiáng)驅(qū)動(dòng)會(huì)讓系統(tǒng)快速走向熱平衡，但預(yù)熱化顯示，熱化并非單調(diào)不可控，而是可以出現(xiàn)可觀察、可調(diào)的中間狀態(tài)，為量子信息保存提供可能。

　　現(xiàn)實(shí)中給一塊冰升溫，一開(kāi)始溫度上升很快，隨后進(jìn)入冰和水共存的階段，此時(shí)即便繼續(xù)加熱，溫度依舊長(zhǎng)時(shí)間卡在零攝氏度不再上升，因?yàn)槟芰勘挥脕?lái)融冰而不是升溫。與此類似，量子系統(tǒng)獲外界不斷輸入能量，但系統(tǒng)并沒(méi)有立刻變得混亂，而是停留在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的預(yù)熱化平臺(tái)�？茖W(xué)家通過(guò)改變熱化的方式和節(jié)奏，可以調(diào)節(jié)平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間。

　　預(yù)熱化平臺(tái)觀察到什么特點(diǎn)

　　這次實(shí)驗(yàn)中觀察到的預(yù)熱化平臺(tái)表現(xiàn)為系統(tǒng)在完全熱化前的穩(wěn)定階段。其特點(diǎn)包括“系統(tǒng)仍保留大部分初始信息，熵增長(zhǎng)受抑制”“平臺(tái)持續(xù)時(shí)間可調(diào)，取決于驅(qū)動(dòng)的階數(shù)和周期”“隨著演化繼續(xù)，系統(tǒng)糾纏迅速增長(zhǎng)，信息擴(kuò)散呈體積律，說(shuō)明系統(tǒng)的復(fù)雜度大幅增加”。

　　科研團(tuán)隊(duì)指出，這些特點(diǎn)顯示，預(yù)熱化不僅是短暫現(xiàn)象，而且具有可控性，是量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的重要規(guī)律。

　　對(duì)于接近百比特的量子系統(tǒng)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬即使使用最先進(jìn)的張量網(wǎng)絡(luò)算法，也難以在合理時(shí)間和精度下完整描述糾纏增長(zhǎng)和信息擴(kuò)散。而量子計(jì)算平臺(tái)本身就是量子系統(tǒng)，因此可以自然演化并觀測(cè)這些復(fù)雜動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典計(jì)算無(wú)法完成的模擬。

　　如何規(guī)劃量子芯片未來(lái)發(fā)展

　　科研團(tuán)隊(duì)表示，78比特量子芯片能完成本次重要實(shí)驗(yàn)，并非單純依賴比特?cái)?shù)堆砌就能實(shí)現(xiàn)，而是方案設(shè)計(jì)創(chuàng)新、特色測(cè)控技術(shù)、芯片規(guī)模和性能共同作用的結(jié)果，涉及到全流程系統(tǒng)性的研究，也是實(shí)驗(yàn)-數(shù)值-理論協(xié)同攻堅(jiān)的結(jié)果。

　　目前的實(shí)驗(yàn)方案屬于國(guó)際首次在量子模擬器上實(shí)現(xiàn)超越周期(準(zhǔn)周期)的隨機(jī)驅(qū)動(dòng)的可調(diào)預(yù)熱化的系統(tǒng)性的研究，為人工驅(qū)動(dòng)調(diào)控量子系統(tǒng)拓寬了新的研究方向，可以與時(shí)間晶體，多體局域化等熱點(diǎn)問(wèn)題相結(jié)合。此外，本項(xiàng)研究還為數(shù)值進(jìn)行大規(guī)模量子模擬提供了新的技術(shù)思路，有助于量子-經(jīng)典在競(jìng)爭(zhēng)中互相促進(jìn)與發(fā)展。

　　比特?cái)?shù)增多是實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、聯(lián)機(jī)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。科研團(tuán)隊(duì)透露，未來(lái)將研制百比特以上更大規(guī)模超導(dǎo)量子芯片，實(shí)現(xiàn)多種比特耦合架構(gòu)和高精度操控技術(shù)，實(shí)驗(yàn)探索更復(fù)雜的量子系統(tǒng)問(wèn)題，力爭(zhēng)展現(xiàn)“可驗(yàn)證的實(shí)用化量子優(yōu)勢(shì)”。(完)