中国科大成功将超导量子处理器应用于量子多体系统研究
近年来，物理学家对量子技术和量子多体系统进行了广泛研究。在这一领域引起特别关注的两个失衡动态过程是量子热化和信息扰乱。“热化”是一个量子多体系统实现热平衡的过程；另一方面，“信息扰乱”需要将局部信息分散在整个量子多体系统的多体量子纠缠中。
中国科学技术大学潘建伟、朱晓波团队最近在一个超导量子处理器中观察到热化和信息扰乱。他们的研究成果以《超导量子处理器中的热化和信息扰动观察》[1]为题发表在《物理评论快报》上，有望为量子多体系统热力学的新研究铺平道路。
“量子多体系统的非平衡特性与量子系统的不可积性是否被打破有关，”朱晓波表示，“具体来说，在一维自由费米子作为一个可积系统的非平衡动力学过程中，热化和信息扰乱会失效。”
在可积和不可积的量子系统中实验研究热化和信息扰乱特别具有挑战性的两个关键原因是：首先，这样做需要在同一个量子模拟器上对这两种类型的系统进行实验实现。此外，为了成功地进行这些实验，研究人员需要能够收集纠缠熵（entanglement entropy）和三方互信息（tripartite mutual information）的准确和有效的测量。这些测量最终使科学家能够对热化和信息扰乱进行量化，这一过程通常使用“多量子比特量子状态断层扫描”的方法。
“我们最近的工作中，使用由24个量子比特组成的梯子结构可编程超导电路，我们实验研究了12个量子比特链和梯子中的热化和加扰，对一维XX模型进行了量子模拟，该模型可以映射到自由费米子这是一个典型的可积系统，而梯子XX模型是一个不可积系统，”朱晓波解释说[2]，“最后，我们观察到量子比特阵列链和梯形图的两种不同的动态行为，证明可积性在热化和信息加扰中起着关键作用。”
超导量子电路和实验脉冲序列。(a)超导电路的光学显微照片。每个量子比特都有一个独立的XY和Z控制线（黄色区域），耦合到一个独立的读出谐振器（紫色区域）。(b)超导量子电路的示意图。上方和下方的箭头表示量子比特的初始状态分别为|1⟩和|0⟩。量子比特Q1-Q12被用于XX链的量子模拟中。量子比特Q1-Q6和Q13-Q18被用于XX梯子的量子模拟中。(c)、(d)分别是XX链和梯子的量子模拟的实验脉冲序列。脉冲序列包括初始化、演化和读出。在初始化过程中，所有的量子比特都处于|0⟩状态，X门应用于选择初始状态为|1⟩的量子比特。接下来，通过Z脉冲将量子比特调谐到工作点，并实现时间演化。最后，在将量子比特调回其闲置点后进行测量。
朱晓波等人在一个以高可编程性为特征的超导量子处理器中研究量子热化和信息扰乱：通过将所有量子比特调谐到相同的交互频率，他们能够在实验中研究量子比特链和梯形图的非平衡动力学。朱晓波说：“在时间演化之后，我们可以通过将所有的量子比特投射到Z投影上来测量局部的观察变量。我们还使用高精度的多量子比特量子状态断层扫描来测量纠缠熵和三方互信息（TMI）。超导电路的梯子结构使我们能够在同一个量子处理器中研究可积的一维链和不可积的梯子。”
研究团队首先分析了他们的高度可编程超导电路的量子比特阵列链和梯形图中的热化和信息扰乱。观察结果表明，可积性显著影响了非平衡量子多体系统的性质。
局部密度和算子距离的动态变化。(a)量子链和梯子图中局部观测值n|1⟩(t)的时间演化的实验数据。(b)与(a)类似，但对应于局部观测值n|0⟩(t)。(c)链和梯子中淬火状态（quenched）和热状态之间算子距离的时间演变。实线是不考虑退相干的数值。
朱晓波表示：“我们还在非整流系统中观察到TMI的稳定负值，这是第一个通过TMI表征的信息加扰的实验特征，为在其他平台上进一步实验研究TMI奠定了基础。”
通过TMI量化的信息加扰。(a)图示的实验脉冲序列，用于对量子比特链的TMI进行动态研究。(b)与(a)类似，但适用于量子比特梯子图。(c)在不考虑退相干的情况下，量子链和梯子图的TMI时间演化的数值结果，其平均值分别为-0.283和-0.42（用虚线突出）。(d)量子比特链和梯子图的TMI时间演化的实验数据，其平均值分别为-0.106和-0.196（虚线突出）。
除了收集关于系统可积性在决定其非平衡特性方面的见解，并揭示信息加扰的特征，朱晓波等人也是第一批使用高度可编程的量子处理器研究量子多体系统的团队。
在未来，他们使用的电路的大小可以进一步扩大，以进行经典计算机更难执行的计算。接下来的研究中，研究人员希望扩大他们最近的工作，追求另外两个主要的研究方向：“首先，我们计划运行更多的量子比特以形成一个更大的多体系统，”朱晓波补充说，“其次，我们计划提高量子处理器的可编程性。通过最先进的超导量子处理器——祖冲之2.0，我们已经成功展示了量子计算优越性。我们计划用这个处理器来展示多体物理学中更多令人兴奋的现象。”
参考链接：
[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.160502
[2]https://phys.org/news/2022-05-thermalization-scrambling-superconducting-quantum-processor.html