在福克空间欣赏“量子景观”！浙大杭州科创中心团队在 Nature Physics发表最新成果
7月，对科创人来说，是个特殊的月份。
2020年7月，浙大过江、逐梦钱塘，一群心怀梦想的奋斗者驻扎在建设三路733号的启动区块，开启了一段光荣和梦想的远征。三年来，面朝科技创新的星辰大海，他们心怀“国之大者”，面向经济主战场，以信仰为帆、以热爱为桨，积极投身浙江“两个先行”和学校“双一流”建设实践，努力为服务国家战略贡献力量！
回首来时路，郁郁满芳华，迈步新征程，砥砺再出发。在浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心） “首期开园三周年”之际，微信公众号将推出特别报道，聚焦科创成果，致敬奋斗岁月，点燃奋进征途！
每每路过科创中心启动区块九号楼转角，总会听见一阵阵充满节奏感的、嗡哧响动的声音，清脆而急促，听起来十分特别。循着声音走进实验室，可以看到坚实牢固的铝合金支架、密集放置的微波电路板、错综交杂的控制线路……在房间的角落，放着一台日夜工作的稀释制冷机，机器内部温度逼近零下273摄氏度，用以维持超导量子芯片的运行，而我们时常听到的“伴奏声”就来自于这台实验设备。
这就是科创中心的量子计算创新工坊（简称量子工坊），这里常年驻扎着一群90后科研团队，曾多次刷新量子计算关键指标，取得一系列独具优势的成果，支撑中国在这一国际竞争异常激烈的前沿领域跻身第一梯队。近日，团队成果再度上新！郭秋江团队和浙江大学物理学院应磊团队合作，提出了一种全新的量子多体动力学观测方法，使得观测大规模粒子系统的全局信息成为可能。相关论文于7月10日在《Nature Physics》杂志在线发表，第一作者是科创中心全职博士后姚云焱、相梁，通讯作者是科创中心郭秋江研究员和物理学院应磊研究员。
01
在福克空间 识得“庐山真面目”
“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”当我们欣赏自然景观时，常遇到“不识庐山真面目”的困惑。类似的观测局限也发生在微观世界，随着相互作用的粒子数目增多，系统的复杂程度会呈指数飙升，局部的观测也将会淹没于巨大的信息“迷宫”中，让人无法欣赏到全局性的“量子景观”。
经过大量的讨论和推演，研究团队提出了一种全新的观测方法，跳出了传统实空间的观测视角，“移步”至福克空间，让纵览全局观测成为可能。这一视角的转换，将观测实空间中粒子的隧穿、相互作用、纠缠等信息，转化为单粒子的波包在福克空间中的传播和扩散问题，并将实空间中的多粒子相互作用的复杂度转移到了福克空间网络自身的复杂度上。
图 1：研究团队用“天目1号”超导量子芯片模拟了12个光子的4 x 6 二维硬核玻色-哈伯德模型。（a）图为实空间模型示意图。在实空间中，12个光子在4 x 6 二维格点上相互作用和运动；（b）图为等价的福克空间模型示意图。在福克空间中，实空间12个粒子的行为等价为一个虚拟的单粒子从s0出发，在复杂的福克空间网络中传播与扩散。0，2，4 … L表示与初始格点s0的汉明距离。
有了福克空间的物理图像（图1），团队将汉明距离作为福克空间中的距离刻度，得到了福克空间中粒子概率分布随汉明距离变化的波包，即动态径向概率分布。于是，一切都变得简单起来，只需波包在福克空间中的传播和扩散动力学，就能刻画量子多体系统的动力学过程，从而判断该量子多体系统是热化的还是局域的。郭秋江认为，这是一种新的信息降维方式，利用这一简洁而巧妙的观测方法，观测者既可以像飞鸟一样 “俯瞰”到多粒子系统的全貌，又不必拘泥于不必要的细节。
图 2：热化（a）、局域化 (b)、多体疤痕态 (c) 在福克空间波包运动的实验结果。
* 波包的均值、宽度、涨落等性质能够定量地表征该量子多体系统的状态。
在朱诗尧院士和王浩华教授的支持下，郭秋江带领着团队在“天目1号”超导量子芯片上，对这一方法进行了实验验证，成功地观测到二维量子多体系统在福克空间的动力学性质和三种迥然不同的“量子景观”：热化、局域化、多体疤痕态（图 2），还探究了不同随机势强度下系统的动力学表现，在有限尺寸二维多体系统中观测到了热化、临界区域、局域化三个典型的动力学区域（图 3），暗示可能发生的热化到局域化的转变。
图 3：有限尺寸二维多体系统热化-局域化转变的相图。横坐标为随机势强度，纵坐标为波包宽度。
大约四十年前，物理学家费曼提出了量子模拟的设想，预言根据量子力学规律制造的新型计算机将帮助人类理解世界。假如这一梦想成真，团队提出的这一观测方法，有望作为一种量子数据处理方式，真正帮助到人们探究量子世界的丰富与神秘。
02
在科创中心 历遍“上下求索”之路
2021年9月，量子工坊入驻科创中心启动区块，在这里，一群年轻人开启了与量子“纠缠”的科研征程。从一片空地开始，郭秋江、姚云焱、相梁和其他团队成员一起亲手搭建起了整套多比特超导量子芯片测控平台。崭新的实验空间，逐渐被他们日复一日的坚守填满。无论春夏秋冬，团队总是很晚才熄灯离开实验室，而昼夜不息的制冷机依旧闪烁着寻找量子世界最神秘的讯息。
图4：量子工坊搭建实验室
路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。在这群年轻人看来，科研是一项华丽的冒险，是值得花费一生的伟大事业。郭秋江回忆道，制冷机泄漏、水冷机频繁故障、板卡适配问题、初期实验方案的失败……团队的每一步成长都并不顺利，但是在大家的集体努力下，却又能幸运地度过每一个难关。
实验的初步构想是在2022月3月提出的，经历了不断论证、推翻和调整实验方案的过程，郭秋江、姚云焱和相梁每天在实验室工作十几个小时，接续这场无休无止的战斗。这是一段焦灼的时期， 团队的每一个人都“钻”在实验方案里，竭力捕捉量子世界的奇迹。
图5：研究团队部分人员在实验室的合影
姚云焱和相梁说，科创中心得天独厚的优势就是可以大胆地开展交叉学科的探索实践，量子计算领域的进一步发展需要有物理、计算机、数学、工程等不同背景的人通力合作，“尽管目前量子工坊队伍并不庞大，但每个人都有各自的分工，大家都能根据各自擅长的领域和经验，高效地推进工作。”他说，科技创新就像走路，一个人走得快，但是能有一群志同道合的人一起走，就能走得又快又远。
创新争先、求真求实、淡泊名利、刻苦钻研、集智攻关、甘为人梯，凝聚科技创新磅礴伟力，赓续科学家精神传统，科创中心的这群年轻人正在奋力奔跑，为国守好量子计算领域的新赛道。
7月的科创园，依旧是一片火热的、创新创业的热土。这群90后的青年科研工作者在这里，继续将科学家精神化为万千载体融进了日常生活，是制冷机嗡嗡作响的“伴奏”，也是实验室里泛黄的笔记本，是方寸荧幕前繁杂的数据代码，也是对量子 “纠缠不清”的热爱。
* 本文部分内容来源于求是风采
文字/图片：周炜 孔晓睿
本文编辑：孔晓睿
审核：潘怡蒙
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