我国科学家在量子系统热化调控领域取得重大突破 为量子计算实用化提供新路径

量子计算的实用化面临一个核心难题:量子系统会逐渐失去初始信息,最终陷入混乱的热平衡状态,这就是热化;热化速度过快意味着量子信息无法有效保存,系统相干性丧失,计算结果难以可靠读取。因此,理解和调控热化规律是量子计算能否走向实用的关键。 科学家们发现了一个有趣的现象:当量子系统受到外部驱动时,并不会立刻陷入完全混乱,而是先进入一个短暂却稳定的"预热化平台"阶段。在这个阶段,系统能量不断增加,但内部状态保持相对稳定,初始信息得以保留。然而,此现象的深层机制一直难以被经典计算机完整描述。这是因为量子多体系统的希尔伯特空间随比特数呈指数级增长,即使是接近百比特的系统,经典计算机也难以在合理时间内精确模拟其纠缠增长和信息扩散过程。 为突破这一瓶颈,中国科学院物理研究所与北京大学合作,在78比特超导量子芯片"庄子2.0"上开展了系统性实验研究。研究团队采用了"随机多极驱动"的特殊外场驱动方式,其基本单元基于Thue-Morse序列,具有非周期性和自相似的特性。通过精心调节序列阶数和驱动周期参数,研究团队成功实现了对预热化平台持续时间的精准控制,首次在量子模拟器上系统性地研究了超越周期驱动的随机驱动可调预热化现象。 这一成果反映了方案设计创新、特色测控技术、芯片规模和性能的有机结合。虽然"庄子2.0"不是全球比特数最高的量子芯片,但实验的成功说明重大科研突破需要实验、数值、理论的协同攻坚,而非单一维度的突进。研究团队还系统分析了当前主流的数值计算方法,为大规模量子模拟提供了新的技术思路。 从应用前景看,这一研究为人工驱动调控量子系统开辟了新方向,能够与时间晶体、多体局域化等前沿量子问题相结合,深入拓展量子计算的理论基础和技术手段。同时,这项工作展现了量子计算与经典计算在竞争中相互促进、共同发展的可能性,为我国量子计算产业的自主创新和实用化应用积累了重要基础。

从"看见热化"到"调控热化",量子研究正从现象观测迈向机制掌握。把难以描述的量子演化节奏变成可调参数,不仅意味着对复杂系统理解的加深,也为量子技术走向实用增添了新的支点。面向未来,真正决定竞争力的,不只是比特数的增长,更是对量子系统可控性与可验证性的持续提升,以及面向实际任务的系统化工程能力。