科学家为量子系统打造“能量缓冲带”

（来源：科普中国）

转自：科普中国

驾驭脆弱的量子系统，如同在风暴中维持烛火不灭。现实中，用于操控量子比特的外界驱动，往往像不断添柴，使其迅速“升温热化”，最终丧失所有奇特的量子特性——这已成为量子计算与模拟走向实用的核心瓶颈。

北京大学物理学院赵宏政研究员课题组、中国科学院物理研究所范桁研究员等合作者的最新研究，为此难题提供了巧妙解法：通过设计驱动场的“内部节奏”，他们成功为量子系统打造出一个“能量缓冲带”，显著延缓了其失控进程。该成果日前发表于国际学术期刊《自然》。

如何让被持续驱动的量子系统保持稳定，是物理与量子科技领域的重大挑战。研究团队聚焦于“预热化”这一奇妙现象，即系统在最终失控前，能进入一个行为相对稳定的中间状态。研究团队提出了一种名为“随机多极驱动”的全新方案，其核心在于主动“设计”驱动的时间结构，通过抑制易引发系统“共振吸热”的低频部分，从源头减缓其能量积累。这好比为喧嚣的声响谱出有序的乐章。

赵宏政介绍，实验在一台名为“庄子二号”、包含 78 个量子比特的超导量子处理器上展开。研究团队让系统从有序状态出发，在精心设计的随机驱动下开始演化。结果令人振奋：系统在经历上千个驱动周期后，并未迅速“过热”，反而展现出一个持久的“预热化”平台，其行为保持稳定，且稳定时间符合理论预言的普适标度律。这证明该现象并非特例，而是一种可调控的物理规律。

“研究还捕捉到量子系统内部‘纠缠熵’的快速增长。这种纠缠的快速复杂化，正是经典计算机难以模拟此类过程的原因，也反过来凸显了量子模拟器在探索前沿物理中的独特优势。”赵宏政说：“它表明，通过深入物理机制的精巧设计，完全有可能在不可避免的实验噪声与驱动干扰中，为脆弱的量子态开辟出一个足够长的‘黄金稳定时间窗口’。

这项研究不仅深化了对非平衡量子物理的理解，更为未来实现更可靠、更强大且可扩展的量子计算与量子模拟技术，奠定了至关重要的科学基础，标志着我们在稳住量子脉动、奔赴实用化量子时代的征程中，迈出了坚实而有关键意义的一步。”