量子系统的脆弱性一直是制约量子计算与量子模拟走向实用的核心瓶颈。
当外界驱动持续作用于量子比特时,系统能量不断积累,最终导致"热化"现象,使其丧失量子特性。
这一问题如同在风暴中维持烛火,稍有不慎便功亏一篑。
如何在实验噪声与驱动干扰中保持量子态的稳定性,成为物理学与量子科技领域亟待解决的重大课题。
针对这一难题,北京大学物理学院赵宏政研究员课题组与中国科学院物理研究所范桁研究员等合作者深入研究了量子系统的"预热化"现象。
预热化是指系统在最终失控前能够进入一个行为相对稳定的中间状态。
研究团队创新性地提出了"随机多极驱动"方案,其核心机制在于主动设计驱动的时间结构,通过抑制容易引发系统共振吸热的低频部分,从源头减缓能量积累过程。
这种方法如同为杂乱的声响谱出有序的乐章,通过精妙的结构设计实现对量子系统的有效调控。
研究团队在包含78个量子比特的超导量子处理器"庄子二号"上开展了实验验证。
系统从有序状态出发,在精心设计的随机驱动下进行演化。
实验结果令人瞩目:经历上千个驱动周期后,系统并未迅速过热,反而展现出持久的预热化平台,其行为保持稳定,且稳定时间完全符合理论预言的普适标度律。
这表明该现象并非孤立个例,而是一种可调控的物理规律,具有普遍适用性。
研究还发现了量子系统内部纠缠熵的快速增长现象。
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根本原因,同时也凸显了量子模拟器在探索前沿物理中的独特优势。
赵宏政指出,通过深入物理机制的精巧设计,完全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足够长的稳定时间窗口。
这为实现更可靠、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。
该成果已发表于国际顶级学术期刊《自然》,标志着我国在量子系统稳定性控制领域取得重要突破。
这项研究不仅深化了对非平衡量子物理的理解,更为量子技术的实用化进程注入了新的动力。
从实验室原理验证到产业化应用,量子技术发展仍需跨越诸多障碍。
这项突破犹如在量子世界的湍流"中筑起一道堤坝,其意义不仅在于延长了微观粒子的"生命线",更标志着我国在驾驭量子规律方面已从"被动防御"转向"主动调控"。
随着关键瓶颈的逐个击破,人类距离真正意义上的"量子优势时代"正越来越近。