中國科學(xué)家在量子世界實現(xiàn)關(guān)鍵控制揭示“預(yù)熱化”平臺

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2026-02-04 08:00:43 中國科學(xué)院

中國科學(xué)家在量子世界實現(xiàn)關(guān)鍵控制揭示“預(yù)熱化”平臺！中國科學(xué)家在量子世界實現(xiàn)了一項關(guān)鍵控制，首次利用超導(dǎo)量子芯片實驗觀測并人工調(diào)控量子多體系統(tǒng)走向混沌前的關(guān)鍵中間狀態(tài)——“預(yù)熱化”平臺。這一發(fā)現(xiàn)為理解并控制復(fù)雜的量子動力學(xué)過程打開了新窗口，相關(guān)成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

在量子世界中，系統(tǒng)在外部驅(qū)動下通常會逐步丟失初始信息，最終達到混亂的熱平衡狀態(tài)，該過程被稱為“熱化”。然而，實驗揭示，在完全熱化之前，系統(tǒng)會經(jīng)歷一個反直覺的、相對穩(wěn)定的“預(yù)熱化”平臺期。這類似于給冰加熱——在冰完全融化成水之前，溫度會長時間穩(wěn)定在0攝氏度。在預(yù)熱化階段，量子系統(tǒng)雖受驅(qū)動，但信息擴散被抑制，有序性得以短暫保持。

研究團隊在集成78個量子比特的超導(dǎo)量子處理器“莊子2.0”上完成這項實驗。他們采用一種名為“隨機多極驅(qū)動”的特殊序列對系統(tǒng)進行精確操控。該驅(qū)動方式基于非周期的數(shù)學(xué)序列，通過調(diào)節(jié)序列的階數(shù)與周期，研究人員如同掌握不同的“加熱節(jié)奏”，成功實現(xiàn)對預(yù)熱化平臺持續(xù)時間的主動調(diào)控。當(dāng)平臺期結(jié)束后，系統(tǒng)內(nèi)部糾纏度急劇增長，迅速進入高度復(fù)雜的狀態(tài)。

這項研究展示了量子模擬器解決經(jīng)典計算機無力問題的獨特優(yōu)勢。對于一個近百比特的量子系統(tǒng)，其狀態(tài)空間極其龐大，用經(jīng)典計算機進行全態(tài)模擬已不現(xiàn)實；而量子處理器作為天然的量子系統(tǒng)，能夠直接“演化”并揭示這類復(fù)雜動力學(xué)規(guī)律，類似于“風(fēng)洞”模擬飛行器和氣流一樣。實際上，文章比較了超導(dǎo)量子模擬器與先進的張量網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典算法的結(jié)果，表明量子模擬器的結(jié)果超越經(jīng)典算法的能力范圍。

“預(yù)熱化平臺的存在表明，量子信息在走向消散前，存在一個可能被利用的時間窗口。”研究人員解釋，理解并延長這一階段，對于在噪聲環(huán)境中保護量子信息的完整性、提升量子計算機的可靠性與實用性具有重要價值。

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