量子信息保存找到潜在时间窗口
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“庄子2.0”超导量子芯片预热化示意图，不同驱动模式能够控制预热化的快慢。（中国科学院物理研究所供图） 在科幻电影《流浪地球2》中，超级智能体“MOSS”凭借量子计算，能预测并掌控人类难以理解的复杂系统。如今，这一幕正在照进现实。近日，中国科学院物理研究所与北京大学合作，在一块包含78个量子比特的超导芯片“庄子2.0”上进行实验，不仅发现了反直觉的预热化平台及可控规律，还展示出量子芯片在模拟复杂系统上的独特优势。相关成果发表于国际顶级学术期刊《自然》。
量子系统的热化，是指系统在演化中，能量与信息会自然扩散并趋于均匀，最终达到类似热平衡的状态。就像一滴墨水滴入清水，墨迹缓缓散开，直至整杯水颜色一致，而最初的墨迹也在这个过程中消散。它直接关系到量子计算机中信息的保存时间，影响量子计算的实用性。
然而，研究团队发现，热化并非一蹴而就。量子系统在完全混乱前，会进入一个被称为“预热化”的平台期。该研究通讯作者之一、中国科学院物理研究所副研究员许凯解释，这就像给一块冰加热，在完全融化成水之前，冰会一直保持在0℃，“量子系统也存在这样一个相对稳定的阶段，系统仍保留着初始信息，并未立即混乱。”
这一现象之所以“反直觉”，是因为按常理推断，强驱动会让系统快速走向热平衡，而预热化的存在表明，量子系统走向混乱的进程可以被延缓甚至调控。
为了深入研究这一现象，团队在自主研发的“庄子2.0”上进行了实验。最终，团队实现了对量子系统热化节奏的主动控制，并观察到了预热化平台的形成和演化。许凯说，他们发现，通过改变“加热”的节奏和方式，可以让量子系统在这一平台停留更久，或者更快地进入下一阶段。
就像科幻电影里的“MOSS”能预测复杂演化一样，现实中的量子计算机也能掌握那些经典计算机算不清的节奏。“通过这样的研究，我们离理解和控制高度复杂的量子世界，又更近了一步。”许凯表示，预热化平台的稳定性和可控性，为量子信息保存提供了潜在的时间窗口。理解并延长这一平台期，有助于在未来量子计算机中保护量子态不受环境干扰，提升计算可靠性。此外，该工作也与时间晶体、多体局域化等前沿研究相结合，为人工驱动调控量子系统开拓了新的研究方向。
研究团队表示，未来将继续研制规模更大、性能更高的超导量子芯片，探索更复杂的多体问题，力争实现“可验证的实用化量子优势”，推动量子计算从基础研究迈向实用化。
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