洪恒飛

此次，浙大研究團(tuán)隊(duì)首次嘗試了“全數(shù)字化量子模擬”的實(shí)驗(yàn)方案。該方案在26量子比特的超導(dǎo)量子芯片上，通過(guò)操作高達(dá)240層深度的量子門，實(shí)現(xiàn)合作者的構(gòu)思。相比于“類比量子模擬”，“全數(shù)字化量子模擬”的通用性更強(qiáng)，具有更高的編程靈活度和量子門精度，能夠執(zhí)行更多種類的量子算法。

食鹽、礦石等人們?nèi)粘Ｊ煜さ囊话憔w，構(gòu)成它們的原子在空間排列上呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律。而時(shí)間晶體，也就是一種四維以上的空間晶體，其特征在時(shí)間上也呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律。

近日，《自然》雜志發(fā)表了由浙江大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱浙大）物理學(xué)院王震、王浩華研究組與清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈研究組等合作的研究成果。科研人員在超導(dǎo)量子芯片上首次采用全數(shù)字化量子模擬方式，實(shí)現(xiàn)了“拓?fù)鋾r(shí)間晶體”這種全新的物質(zhì)狀態(tài)。

在研究中，研究人員成功觀測(cè)到了“拓?fù)鋾r(shí)間晶體”的邊緣因拓?fù)浔Ｗo(hù)而呈現(xiàn)出離散時(shí)間晶體的行為，即浮球（Floquet）對(duì)稱保護(hù)拓?fù)湎唷Ｔ诔瑢?dǎo)量子芯片上使用數(shù)字化量子模擬的方法，有望被用于探索更多的物理學(xué)前沿問(wèn)題。

在尋找時(shí)間晶體過(guò)程中另辟蹊徑

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)繪制的數(shù)字量子模擬拓?fù)鋾r(shí)間晶體概念圖顯示，超導(dǎo)量子芯片內(nèi)部就像一個(gè)多姿多彩的量子世界?？茖W(xué)家們?cè)谶@個(gè)量子世界中構(gòu)建“拓?fù)鋾r(shí)間晶體”?！巴?fù)鋾r(shí)間晶體”規(guī)則排布的晶體代表保護(hù)拓?fù)涞膶?duì)稱性，旋轉(zhuǎn)的指針代表時(shí)間維度，中間不斷流出的數(shù)字則代表數(shù)字模擬……

在理論方面，關(guān)于時(shí)間晶體，有科學(xué)家曾提出離散時(shí)間晶體的概念，并提出了在一類非平衡態(tài)系統(tǒng)——量子多體局域化系統(tǒng)中創(chuàng)造時(shí)間晶體的理論模型;而在實(shí)驗(yàn)方面，近年來(lái)，有研究團(tuán)隊(duì)分別在離子阱平臺(tái)、金剛石色心平臺(tái)和核磁共振量子平臺(tái)等多個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了“離散時(shí)間晶體”。

時(shí)間晶體的特殊之處在于，它的周期性重復(fù)是自然且穩(wěn)定的“基態(tài)”，即物質(zhì)處于能量最低時(shí)的狀態(tài)。浙大物理學(xué)院研究員王震解釋說(shuō)：“時(shí)間晶體并不需要像鐘表運(yùn)行那樣消耗能量，其‘天性類似于頻閃或者呼吸，是周期性變化的?！?/p>

兩年前，清華大學(xué)教授鄧東靈開始構(gòu)思一種新的時(shí)間晶體，即嘗試將拓?fù)涞母拍钜霑r(shí)間晶體。通過(guò)與浙大超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)合作，他嘗試在超導(dǎo)量子芯片上創(chuàng)造這類全新的時(shí)間晶體?！俺Ｒ?guī)的時(shí)間晶體已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，而我們想嘗試別人沒(méi)有做過(guò)的?！蓖跽鹫f(shuō)。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于浙大杭州國(guó)際科創(chuàng)中心量子計(jì)算創(chuàng)新工坊發(fā)布的“天目1號(hào)”超導(dǎo)量子芯片開展實(shí)驗(yàn)。該芯片依托于浙江大學(xué)微納加工中心制作，其平均比特相干時(shí)間突破100微秒，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。該芯片采用較易擴(kuò)展的近鄰連通架構(gòu)，具備更高的編程靈活度，以便執(zhí)行更多種類的量子算法，具有更加廣闊的研究前景。

打磨出“全數(shù)字化模擬”利器

近年來(lái)，在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的復(fù)雜問(wèn)題方面，量子計(jì)算顯示出越來(lái)越強(qiáng)大的能力?？茖W(xué)家們認(rèn)為，為了研究出適用范圍廣闊的“通用型量子計(jì)算”，首先要實(shí)現(xiàn)研究特定的、專門的現(xiàn)象和問(wèn)題“專門型量子計(jì)算”。

據(jù)王震介紹，量子計(jì)算是通過(guò)在量子比特上執(zhí)行邏輯操作的計(jì)算，也就是通過(guò)量子門實(shí)現(xiàn)的計(jì)算。不同的量子門組合成不同的算法“積木”，用于搭建科學(xué)家心目中的“建筑”。在此次合作研究中，理論物理學(xué)者們承擔(dān)著建筑師的角色，設(shè)計(jì)“積木”的組合方式。而浙大研究團(tuán)隊(duì)，則負(fù)責(zé)打造通用性更高的量子“積木”，為“建筑”的建成提供原材料。

論文共同第一作者、清華大學(xué)交叉信息研究院博士生蔣文杰說(shuō)：“一般來(lái)講，模擬量子多體物質(zhì)的演化過(guò)程需要許多復(fù)雜的量子‘積木，我們根據(jù)模型的物理特性，提出了一種用最少的‘積木造房子的方法?！?/p>

“當(dāng)要解決具體的問(wèn)題時(shí)，只需要調(diào)用組合不同的‘積木，而不需要更換芯片?！闭撐墓餐谝蛔髡?、浙大物理學(xué)院博士生張敘認(rèn)為，數(shù)字化量子模擬是一條通往通用量子計(jì)算的必經(jīng)之路。

此次，浙大研究團(tuán)隊(duì)首次嘗試了“全數(shù)字化量子模擬”的實(shí)驗(yàn)方案。該方案在26量子比特的超導(dǎo)量子芯片上，通過(guò)操作高達(dá)240層深度的量子門，實(shí)現(xiàn)合作者的構(gòu)思。相比于“類比量子模擬”，“全數(shù)字化量子模擬”的通用性更強(qiáng)，具有更高的編程靈活度和量子門精度，能夠執(zhí)行更多種類的量子算法。

“從理論上講，數(shù)字化模擬可以適用于許多物理系統(tǒng)的研究，而不限于某個(gè)系統(tǒng)。”蔣文杰表示。

周期性呼應(yīng)的首尾部鏈狀晶體

通過(guò)全數(shù)字化量子模擬，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次成功模擬了一個(gè)由26個(gè)“準(zhǔn)粒子”組成的鏈狀拓?fù)鋾r(shí)間晶體。在退相干時(shí)間內(nèi)，處于邊緣的量子比特自旋隨驅(qū)動(dòng)周期性而關(guān)聯(lián)響應(yīng)。這種響應(yīng)對(duì)初始狀態(tài)完全不敏感，呈現(xiàn)了受拓?fù)浔Ｗo(hù)的魯棒性，即對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感性。通過(guò)調(diào)制系統(tǒng)的擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)成功刻畫了該拓?fù)湎嗯c平庸熱化相的邊界。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)繪制了26個(gè)量子比特組成的鏈狀拓?fù)鋾r(shí)間晶體演化圖，以便解釋該現(xiàn)象。首尾兩個(gè)“粒子”的自旋是長(zhǎng)程糾纏的，它們會(huì)同時(shí)翻轉(zhuǎn)并保持很長(zhǎng)時(shí)間。在不同的時(shí)刻來(lái)看，中間的“粒子”沒(méi)有穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)，而首尾的“粒子”都會(huì)出現(xiàn)同時(shí)翻轉(zhuǎn)和同時(shí)還原的現(xiàn)象，其周期為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的兩倍。這種拓?fù)涞男再|(zhì)，來(lái)源于對(duì)稱性的保護(hù)。

張敘對(duì)拓?fù)鋾r(shí)間晶體的演化過(guò)程做了生動(dòng)的比喻：“就像一排小朋友聽(tīng)著耳機(jī)轉(zhuǎn)圈圈，每個(gè)小朋友除了要根據(jù)自己聽(tīng)到的音樂(lè)節(jié)奏轉(zhuǎn)圈圈，還要三三兩兩地合作完成雜技動(dòng)作。這些特別設(shè)計(jì)的雜技動(dòng)作具有拓?fù)湫再|(zhì)，能通過(guò)量子效應(yīng)將首尾兩個(gè)小朋友的舞蹈‘糾纏起來(lái)。即使音樂(lè)的節(jié)奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個(gè)小朋友之間存在穩(wěn)定的‘默契，也就是周期性地呈現(xiàn)某種呼應(yīng)的現(xiàn)象?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這次拓?fù)鋾r(shí)間晶體的成功模擬，證明在超導(dǎo)量子芯片上使用數(shù)字化量子模擬的可行性，將啟發(fā)人們?cè)诔瑢?dǎo)量子計(jì)算平臺(tái)探索更多的新物質(zhì)和新現(xiàn)象。下一步，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)拓展量子芯片的規(guī)模和性能，以模擬性質(zhì)更新、尺度更廣、物理內(nèi)涵更豐富的量子問(wèn)題，為量子算法的發(fā)展和應(yīng)用提供基礎(chǔ)性的平臺(tái)。