78量子比特随机多极驱动预热化进展 | 进展

含时驱动可以产生许多无驱动系统中没有的、新奇的非平衡物理现象、如离散时间晶体物相、弗洛凯拓扑物相等。但是由于连续时间平移对称性的破缺，驱动通常会使得系统热化到无穷高温态，导致系统变得混沌不可测。研究含时驱动的热化规律将对稳定系统状态起到重要作用。对于周期或准周期驱动，人们通常通过高频驱动来抑制热化，而对于更一般的随机驱动，其热化规律的研究则较少。

近期，来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q03、G01组的超导量子计算与模拟团队与北京大学物理学院、中国科学院理论物理研究所、帝国理工学院、慕尼黑工业大学、马普所等高校和科研机构合作开展了一项随机多极驱动（Random Multipolar Driving, RMD）下的预热化(prethermalization)实验。实验在中国科学院物理研究所最新开发的二维布局6*13方格阵列的超导量子芯片“庄子（Chuang-tzu）2.0”上完成，芯片含78个量子比特，137个可调耦合器。

实验的初态设置为密度波的交替半满状态，奇偶行设置低高交错的势能差，并给偶数行加上由两个参数驱动极数n,驱动单元时长T所描述的RMD驱动，使其进行时间演化。最后对末态进行量子态层析以及粒子数测量。芯片图及驱动协议见图.。实验的主要结论有三点：(1)首次清楚观测了到达完全热化状态前的亚稳态预热化平台。这一平台的冯诺依曼熵、粒子数非平衡度（imbalance）保持不变。实验中实现了1000个驱动周期达到最大熵Page Value的热化动力学的完整过程。（2）在超导量子系统的特征时间内，实现了高频驱动(T短至3ns)，在不同系统尺寸下都观测到了可调节的预热化寿命τ，τ ∝ (1/T)2n+1，(n=0,1,2)，满足幂律关系。(3)对于不同的子系统，观测到熵预热化平台的非均匀性以及面积律到体积律的转变。由于预热化的强体积律，张量网络数值算法，如二维的投影纠缠对态PEPS，分组矩阵直积态（GMPS）的结果相比于实验，在长时演化时会出现明显的反常，文章也分析了其他常用的数值方法。另外实验显示，对于最大78比特1000个驱动周期后，系统依然有90%以上的比特保真度。

图：芯片图以及RMD协议

总结起来，实验观察到了预热化平台、双参数可调的预热化寿命、非均匀预热化及面积律到体积律的转变。特别是对于78比特快速热化情况，当前的数值方法已无法有效、正确地模拟实验结果，显示了超导量子模拟的量子优势。物理所刘政和，刘宇，梁珪涵，邓承林为共同一作，相忠诚，许凯，赵宏政（北京大学），范桁为共同通讯作者，合作团队包括物理所、理论所、北京大学、北京量子信息科学研究院、华南理工、以及英、德等科研人员。工作得到自然科学基金，合肥国家实验室、北京市自然科学基金和中国科学院等项目的支持。实验成功观测到预热化平台，相关结果已在线发表于《自然》。

在科幻电影《流浪地球2》中，超级智能体“MOSS”依赖量子计算机。那么，量子计算机什么时间走进人类的平常生活呢？预测当然是困难的，比如：IBM公司董事长沃森在1943年预测，“全世界对计算机的需求量总共可能只有5台”；比尔盖茨在1981年说，“没有谁的电脑需要超过637KB的内存。640KB对任何人来说都应该足够了”。我们预计量子计算会在今后的5到10年形成量子实用（quantum utility），但开始是被用来解决科学问题，可称为具有科学价值的专用量子计算模拟机，或者量子模拟机，“庄子2.0”即是沿着此条道路。在解决量子纠错和可扩展难题后，人们就可以建成通用量子计算原型机，其应用逐渐从科研领域走向大众生活。同时，量子计算机不会替代现有的计算机，而是融入到现有的计算和信息系统，成为生活必不可少的一部分，而普通大众预计不会感知量子计算机的存在，只是感觉到更先进的算力和更便利的生活。

编辑：东君