登上《自然》：量子系統也有“融冰時刻”，快慢可控

在科幻電影《流浪地球2》中，超級智能體“MOSS”憑藉量子計算，能預測並掌控人類難以理解的複雜系統。如今，這一幕正在照進現實。近日，中國科學院物理研究所與北京大學合作，在一塊包含78個量子比特的超導芯片“莊子2.0”上進行實驗，不僅發現了反直覺的預熱化平臺及可控規律，還展示出量子芯片在模擬複雜系統上的獨特優勢。相關成果發表於國際頂級學術期刊《自然》。

“莊子2.0”超導量子芯片預熱化示意圖，不同驅動模式能夠控制預熱化的快慢。（中國科學院物理研究所提供）

量子系統的熱化，是指系統在演化中，能量與信息會自然擴散並趨於均勻，最終達到類似熱平衡的狀態。就像一滴墨水滴入清水，墨跡緩緩散開，直至整杯水顏色一致，而最初的墨跡也在這個過程中消散。它直接關係到量子計算機中信息的保存時間，影響量子計算的實用性。

然而，研究團隊發現，熱化並非一蹴而就。量子系統在完全混亂前，會進入一個被稱爲“預熱化”的平臺期。該研究通訊作者之一、中國科學院物理研究所副研究員許凱解釋，這就像給一塊冰加熱，在完全融化成水之前，冰會一直保持在0℃，“量子系統也存在這樣一個相對穩定的階段，系統仍保留着初始信息，並未立即混亂。”

這一現象之所以“反直覺”，因爲按常理推斷，強驅動會讓系統快速走向熱平衡，而預熱化的存在表明，量子系統走向混亂的進程可以被延緩甚至調控。

爲了深入研究這一現象，團隊在自主研發的“莊子2.0”上進行了實驗。最終，團隊實現了對量子系統熱化節奏的主動控制，並觀察到了預熱化平臺的形成和演化。許凱說，他們發現，通過改變“加熱”的節奏和方式，可以讓量子系統在這一平臺停留更久，或者更快地進入下一階段。

就像科幻電影裏的“MOSS”能預測複雜演化一樣，現實中的量子計算機也能掌握那些經典計算機算不清的節奏。“通過這樣的研究，我們離理解和控制高度複雜的量子世界，又更近了一步。”許凱表示，預熱化平臺的穩定性和可控性，爲量子信息保存提供了潛在的時間窗口。理解並延長這一平臺期，有助於在未來量子計算機中保護量子態不受環境干擾，提升計算可靠性。此外，該工作也與時間晶體、多體局域化等前沿研究相結合，爲人工驅動調控量子系統拓寬了新的研究方向。

研究團隊表示，未來將繼續研製規模更大、性能更高的超導量子芯片，探索更復雜的多體問題，力爭實現“可驗證的實用化量子優勢”，推動量子計算從基礎研究邁向實用化。