在量子世界找到“慢放键”

来源：光明日报

本报北京2月2日电（记者崔兴毅）

就像为一段混乱的进程找到慢放键，中国科学家在量子世界实现了一项关键控制。中国科学院物理研究所与北京大学的联合科研团队在国际上首次利用超导量子芯片，实验观测并人工调控量子多体系统走向混沌前的关键中间状态——“预热化”平台。这一发现为理解并控制复杂的量子动力学过程打开了新窗口，相关成果日前在线发表于国际学术期刊《自然》。

在量子世界中，系统在外部驱动下通常会逐步丢失初始信息，最终达到混乱的热平衡状态，该过程被称为“热化”。然而，实验揭示，在完全热化之前，系统会经历一个反直觉的、相对稳定的“预热化”平台期。这类似于给冰加热——在冰完全融化成水之前，温度会长时间稳定在0摄氏度。在预热化阶段，量子系统虽受驱动，但信息扩散被抑制，有序性得以短暂保持。

研究团队在集成78个量子比特的超导量子处理器“庄子2.0”上完成这项实验。他们采用一种名为“随机多极驱动”的特殊序列对系统进行精确操控。该驱动方式基于非周期的数学序列，通过调节序列的阶数与周期，研究人员如同掌握不同的“加热节奏”，成功实现对预热化平台持续时间的主动调控。当平台期结束后，系统内部纠缠度急剧增长，迅速进入高度复杂的状态。

这项研究的突破性意义在于，它展现了量子模拟器解决经典计算机无力问题的独特优势。“对于一个近百比特的量子系统，其状态空间极其庞大，用经典计算机进行全态模拟已不现实；而量子处理器作为天然的量子系统，能够直接‘演化’并揭示这类复杂动力学规律，类似于‘风洞’模拟飞行器和气流一样。实际上，我们文章中也比较了超导量子模拟器与先进的张量网络经典算法的结果，表明量子模拟器的结果超越经典算法的能力范围。”研究人员范桁说。

“预热化平台的存在表明，量子信息在走向消散前，存在一个可能被利用的时间窗口。”范桁解释，理解并延长这一阶段，对于在噪声环境中保护量子信息的完整性、提升量子计算机的可靠性与实用性具有重要价值。

该成果不仅是对复杂量子动力学基础认知的重要推进，也为量子调控技术提供了新思路。范桁表示，未来将致力于研制规模更大、性能更高的量子芯片，探索更丰富的多体物理现象，目标是实现“可验证的实用化量子优势”，推动量子计算从原理演示走向实际应用。

●新知解码

量子技术还能打开哪些传统“死结”

本次实验中，科学家通过量子芯片揭示经典计算机难以模拟的复杂过程。这仅仅是量子计算强大潜力的一个缩影。那么，量子技术究竟能解决哪些传统计算机和经典方法束手无策的难题呢？它的核心优势在于利用“叠加”与“纠缠”等独特原理，从本质上处理海量并行可能性和极度复杂的相互关系。

比如，模拟自然本身。要研发一种新药或一种高性能电池材料，化学家需要在实验室大量试错，因为即使是单个分子，其电子如何围绕原子核运动（量子行为），用超级计算机精确模拟也极为吃力。而量子计算机本身就是一个遵循量子规律的“模拟器”。它可以自然地表征分子的量子态，从而直接模拟化学反应过程，精准预测分子的性质、反应路径和最终产物。这将极大加速新药研发、高性能催化剂和新能源材料的发现，有望在虚拟世界中完成千万次“数字实验”，筛选出最优选项。

再比如，当前互联网的安全基石广泛依赖RSA等公钥密码体系，其安全性基于经典计算机分解大质数极端困难。量子力学本身也提供了解决方案——“量子密钥分发”。它利用量子态不可克隆的原理，使得任何窃听行为都会留下痕迹，从而实现原理上绝对安全的通信。

回到本次研究，科学家对量子系统“缓冲期”（预热化）的精准调控，正是在解决量子系统自身“噪声”与“混乱”这一问题上取得的进展——这好比在试图驾驭一匹拥有巨大潜力但天性不羁的骏马之前，先学会如何理解和安抚它的脾气，让它稳定奔跑的时间更长。