78量子比特隨機多極驅動預熱化進展 | 進展

含時驅動可以產生許多無驅動系統中沒有的、新奇的非平衡物理現象、如離散時間晶體物相、弗洛凱拓撲物相等。但是由于連續時間平移對稱性的破缺，驅動通常會使得系統熱化到無窮高溫態，導致系統變得混沌不可測。研究含時驅動的熱化規律將對穩定系統狀態起到重要作用。對于周期或準周期驅動，人們通常通過高頻驅動來抑制熱化，而對于更一般的隨機驅動，其熱化規律的研究則較少。

近期，來自中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心Q03、G01組的超導量子計算與模擬團隊與北京大學物理學院、中國科學院理論物理研究所、帝國理工學院、慕尼黑工業大學、馬普所等高校和科研機構合作開展了一項隨機多極驅動（Random Multipolar Driving, RMD）下的預熱化(prethermalization)實驗。實驗在中國科學院物理研究所最新開發的二維布局6*13方格陣列的超導量子芯片“莊子（Chuang-tzu）2.0”上完成，芯片含78個量子比特，137個可調耦合器。

實驗的初態設置為密度波的交替半滿狀態，奇偶行設置低高交錯的勢能差，并給偶數行加上由兩個參數驅動極數n,驅動單元時長T所描述的RMD驅動，使其進行時間演化。最后對末態進行量子態層析以及粒子數測量。芯片圖及驅動協議見圖.。實驗的主要結論有三點：(1)首次清楚觀測了到達完全熱化狀態前的亞穩態預熱化平臺。這一平臺的馮諾依曼熵、粒子數非平衡度（imbalance）保持不變。實驗中實現了1000個驅動周期達到最大熵Page Value的熱化動力學的完整過程。（2）在超導量子系統的特征時間內，實現了高頻驅動(T短至3ns)，在不同系統尺寸下都觀測到了可調節的預熱化壽命τ，τ?∝?(1/T)2n+1，(n=0,1,2)，滿足冪律關系。(3)對于不同的子系統，觀測到熵預熱化平臺的非均勻性以及面積律到體積律的轉變。由于預熱化的強體積律，張量網絡數值算法，如二維的投影糾纏對態PEPS，分組矩陣直積態（GMPS）的結果相比于實驗，在長時演化時會出現明顯的反常，文章也分析了其他常用的數值方法。另外實驗顯示，對于最大78比特1000個驅動周期后，系統依然有90%以上的比特保真度。

圖：芯片圖以及RMD協議

總結起來，實驗觀察到了預熱化平臺、雙參數可調的預熱化壽命、非均勻預熱化及面積律到體積律的轉變。特別是對于78比特快速熱化情況，當前的數值方法已無法有效、正確地模擬實驗結果，顯示了超導量子模擬的量子優勢。物理所劉政和，劉宇，梁珪涵，鄧承林為共同一作，相忠誠，許凱，趙宏政（北京大學），范桁為共同通訊作者，合作團隊包括物理所、理論所、北京大學、北京量子信息科學研究院、華南理工、以及英、德等科研人員。工作得到自然科學基金，合肥國家實驗室、北京市自然科學基金和中國科學院等項目的支持。實驗成功觀測到預熱化平臺，相關結果已在線發表于《自然》。

在科幻電影《流浪地球2》中，超級智能體“MOSS”依賴量子計算機。那么，量子計算機什么時間走進人類的平常生活呢？預測當然是困難的，比如：IBM公司董事長沃森在1943年預測，“全世界對計算機的需求量總共可能只有5臺”；比爾蓋茨在1981年說，“沒有誰的電腦需要超過637KB的內存。640KB對任何人來說都應該足夠了”。我們預計量子計算會在今后的5到10年形成量子實用（quantum utility），但開始是被用來解決科學問題，可稱為具有科學價值的專用量子計算模擬機，或者量子模擬機，“莊子2.0”即是沿著此條道路。在解決量子糾錯和可擴展難題后，人們就可以建成通用量子計算原型機，其應用逐漸從科研領域走向大眾生活。同時，量子計算機不會替代現有的計算機，而是融入到現有的計算和信息系統，成為生活必不可少的一部分，而普通大眾預計不會感知量子計算機的存在，只是感覺到更先進的算力和更便利的生活。

編輯：東君