浙江大学首次利用超导处理器观察到量子多体疤痕态

光子盒研究院出品

10月13日，在《自然物理学》杂志上发表的最新论文《超导处理器上的多体希尔伯特空间疤痕》中[1]，浙江大学的科学家与合作者首次展示了量子多体疤痕(QMBS)状态：这是一种维持相互作用的量子比特之间相干性的强大机制，为量子信息科学和技术中的各种高处理速度和低功耗应用的多方纠缠提供了可能。

本文通讯作者：浙江大学、阿里巴巴-浙江大学前沿技术联合研究中心王浩华（左）和应磊（右）

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对量子多体系统的意义：延迟热化，保持相干性

“QMBS状态具有多方纠缠的内在和通用能力，这使得它们对量子传感和计量学等应用极具吸引力。”应磊解释说。

经典或二进制计算依赖于晶体管，它们在同一时间只能代表1或0。在量子计算中，量子比特可以同时代表0和1，这可以指数级地加速某些计算过程。

“在量子信息科学和技术中，通常需要将大量的基本信息处理单元——量子比特，组装在一起。”亚利桑那州立大学教授、本文通讯作者之一来颖诚解释说[2]：“对于像量子计算这样的应用，在量子比特之间保持高度的相干性或量子纠缠至关重要。然而，量子比特之间不可避免的相互作用和环境噪声可以在很短的时间内破坏一致性：大约10纳秒内，这是因为许多相互作用的量子比特构成了一个多体系统。”

来颖诚（Ying-Cheng Lai）

中国理论物理学家/电气工程师，从事混沌理论和复杂动力系统的研究；他是相对论量子混沌领域的开拓者之一。目前，他在亚利桑那州立大学担任摄政教授；他还拥有国际空间站电气工程系讲座教授席位。

这项研究的关键是对延迟热化以保持相干性的深入了解，这也被认为是量子计算的一个关键研究目标。

“从基础物理学中，我们知道在一个由许多相互作用的粒子组成的系统中，例如，封闭体积中的分子，将出现热化过程。”来颖诚说：“许多量子比特之间的争夺将无一例外地导致量子热化——所谓的‘特征态热化假说’所描述的过程，这将破坏量子比特之间的一致性。”

来颖诚表示，这些发现将有助于推动量子计算的发展，并将在密码学、安全通信和网络安全以及其他技术中得到应用。

02

超导系统实现量子多体疤痕，超出经典模拟极限

这篇文章中，科学家报告了在超导（SC）处理器上对一类新的量子多体疤痕（QMBS）状态的实验观察。

与以前在动力学约束的里德堡原子阵列中的实现不同，此次实验中，科学家通过在计算基础上弱解耦希尔伯特空间的一部分来设计QMBS。这一方法受到聚乙炔的Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑结构启发：利用它创建了一个具有超立方体图结构的近乎解耦的子空间，这个子空间产生了新兴的QMBS现象，包括从居住在超立方体中的特殊初始状态的多体复活，以及“伤痕累累”的特征疤痕态带。

同时，由于相邻量子比特之间的交叉耦合变弱，整个系统会热化。实验中的SC平台的优势之一是在6*6的正方形晶格配置上的量子比特之间的可调谐XY耦合，这使科学家能够用一维（1D）和具有梳状的准一维系统模拟多体系统。

最终，实验研究了多达30个量子比特和29个耦合器的电路，希尔伯特空间维度远远超出了经典模拟的极限。群体动力学和量子状态层析扫描对纠缠熵和量子保真度的测量证明了强大的QMBS状态的出现，通过直接比较它们的缓慢动力学与传统的热化状态，科学家证明其在固态SC平台上实现了一个新的QMBS范式。

这为系统地探索具有高度可调谐的、相互作用的系统中的疤痕，和其他形式的“破坏”（breaking）铺平了道路。

实验装置和通过量子态层析扫描识别QMBS状态。其中，（a）图是实验用的超导电路，在正方形的几何结构中带有量子比特和耦合器。

实验观察到的量子比特的动态。其中，(a)-(b)分别为QMBS和快速热化状态的实验量子比特群作为交互时间的函数的等高线图。(c)-(d):从(a)-(b)图中提取的广义不平衡度I(t)作为交互时间的函数。(e)-(f):(c)-(d)中不平衡的傅里叶变换振幅，它表征了初始状态和能量特征状态之间的平方重叠。

梳状张量系统中的QMBS状态。(a)L=20个量子的超导处理器中的梳状张量拓扑结构。(b)傅里叶平方振幅的初始产品状态。(c,d)不平衡度（上）、四量子比特保真度（中）和四量子比特纠缠熵（下）的动态变化。

03

固态设备中首次观察量子疤痕，打开多体现象研究的大门

此次实验中，研究团队在一个超导电路中实现了QMBS状态，并有效地模拟了由非约束自旋-1/2XY模型描述的一维和准一维几何的量子多体系统：这代表了固态设备中QMBS状态的首次实验观察。此外，这一研究提供了在大型子系统上使用量子态层析扫描的QMBS的第一个深入特征。

这为以可行的方式研究QMBS状态和其他具有巨大希尔伯特空间的多体现象打开了大门。例如，在经典的可编程计算机中对强相互作用固态系统中的长寿命量子态的观察和表征存在不可避免的不完善：量子比特之间的交叉耦合、随机紊乱、环境诱导的退相干和退相位等，固态系统中QMBS状态的稳健性可以大大延长特定量子信息操作的相干时间。

同时，这一工作还指出，需要进一步研究实验平台中的非热态，以生成QMBS态对抗量子热化，用于量子信息和量子计量应用。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01784-9

[2]https://scitechdaily.com/quantum-computing-breakthrough-qubits-for-a-programmable-solid-state-superconducting-processor/

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