我国科学家在量子计算领域取得重大突破 成功捕捉量子系统"预热化"规律

问题——量子系统如何从有序走向混沌、并在外界驱动下吸收能量、丢失初始信息,是量子多体物理与量子计算领域长期关注的核心科学问题。

现实量子器件在运行过程中不可避免受到外部操控与环境影响,系统会发生热化,进而导致信息散失与可计算性下降。

值得注意的是,热化并不总是“越推越快”或“持续均匀”,有时会在完全混乱之前出现一个短暂而相对稳定的阶段,即“预热化”。

预热化能持续多久、何时转入快速热化、节奏由哪些因素决定,关系到量子系统可控时间窗口与量子模拟可信度,但在大规模多体系统中很难用经典计算手段精确预测与验证。

原因——造成上述难题的关键在于量子多体系统的希尔伯特空间随量子比特数呈指数增长,系统演化涉及大量相干过程与纠缠结构,传统数值模拟往往在规模上受限;同时,外部驱动会引入能量注入与非平衡演化,使系统表现出更复杂的时间尺度与跨尺度行为。

预热化之所以“反直觉”,源于驱动、相互作用与局域守恒近似等因素在一定时间内形成“准稳态”,使系统暂时呈现出近似热平衡但又未完全热化的动力学平台。

只有在更长时间尺度上,这种“平台”才被持续能量注入与信息扩散所打破,进入更深层的热化过程。

影响——科研团队在包含78个量子比特的超导量子芯片上开展实验,成功捕获预热化平台并提取其可控的演化规律,表明现有量子芯片不仅能执行计算任务,也能作为研究复杂量子动力学的实验平台,为“难以被经典计算可靠还原”的多体非平衡过程提供直接观测窗口。

该成果的价值主要体现在三方面:其一,为理解热化、信息散失与量子相干保持之间的关系提供实验依据,有助于从物理机理层面把握量子系统“从可控到不可控”的分界;其二,为评估量子器件在长序列操作、周期驱动和复杂控制下的稳定性提供方法学参考,进而服务于更高质量的量子控制与误差抑制策略;其三,为量子模拟复杂材料、凝聚态系统乃至相关非平衡现象拓展了可验证的实验路径,推动量子模拟从“能运行”向“能解释、可复现、可预测”迈进。

对策——面向下一步发展,需要在实验、理论与工程三个层面协同推进:在实验层面,持续提升芯片规模与一致性,完善对驱动强度、耦合结构、初态制备和测量流程的精细调控,以获得更长时间、更高保真度的动力学数据;在理论层面,发展与实验相匹配的有效模型与可检验预测,重点解释预热化平台的形成条件、寿命标度及其对扰动的敏感性,为实验设计提供可操作的参数区间;在工程层面,结合噪声表征与校准技术,降低环境耦合与控制误差对动力学观测的干扰,同时建设更完备的数据分析与交叉验证机制,提升结论的稳健性与可复现性。

前景——从国际趋势看,量子信息科学正在从单一强调量子优越性展示,转向更重视可控性、可扩展性与面向科学问题的实证能力。

此次在较大规模量子比特体系中捕获预热化规律,意味着我国在利用量子器件研究非平衡多体物理方面迈出关键一步。

未来,随着量子比特数量进一步提升、器件噪声持续压降以及控制手段更加精细,量子芯片有望在更多“经典难算”的动力学问题上提供可验证的实验结果,并反哺量子计算的体系结构设计:例如更合理地规划运算深度与控制节奏、识别并利用“可控窗口”,在一定条件下延缓热化带来的信息损失,从而为更复杂算法与更长时程的量子模拟奠定基础。

这项成果标志着我国量子计算研究从理论探索向实验验证、从基础研究向应用转化的重要跨越。

在量子计算这场全球科技竞赛中,我国科研团队通过自主创新,在关键技术和基础理论上取得了显著进展。

面向未来,继续深化对量子系统复杂规律的认识,加快推进量子计算的工程化和产业化进程,将为我国在新一轮科技革命中赢得战略主动权提供有力支撑。