问题——外部驱动下的量子系统如何“热化”,一直是量子物理与量子信息领域的关键难题之一。
所谓热化,是系统在持续受外界影响时吸收能量、丢失初始信息并趋向热平衡的过程。
与人们直觉不同,量子系统的热化并非总是匀速或单调进行:在进入完全无序之前,系统可能停留在一个短暂却相对稳定的阶段,即“预热化”。
这一阶段持续多久、会在何种条件下加速或放缓,以及可否被人为调控,长期以来难以通过经典计算手段给出可靠预测,成为制约相关理论验证与工程设计的重要瓶颈。
原因——一方面,量子系统具有强关联和多体纠缠等特征,信息在系统内部传播的方式与经典系统存在本质差异;另一方面,当外部驱动不再满足简单的周期或准周期规律,而呈现更复杂的随机节奏时,系统吸收能量的路径会显著增多,导致理论分析和数值模拟的计算量快速增长。
尤其在较大规模的多体量子系统中,信息扩散与能量吸收的耦合演化极其复杂,传统计算往往难以覆盖足够长的时间尺度来捕捉预热化平台的形成、维持与崩塌,从而难以判断“热化节奏”究竟由哪些物理因素主导。
影响——在此背景下,我国科研团队借助78比特超导量子芯片“庄子2.0”,在量子模拟器上开展了超越周期(准周期)的随机驱动预热化研究,并实现对预热化行为的可调控制,形成系统性实验结果。
这一进展的意义在于:其一,为外部随机驱动条件下预热化现象提供了更直接的实验支撑,有助于澄清“持续注入能量却不立刻走向完全热化”的反直觉机制;其二,通过可控调节驱动方式与节奏,研究展示了预热化平台持续时间可以被工程化“调参”,为未来在量子态保护、噪声环境下的稳定运行等方向提供了可借鉴的思路;其三,这类实验数据将反哺理论模型与数值方法,推动建立更可检验、更可预测的量子热化动力学框架。
对策——面向后续研究与应用布局,业内普遍认为需要从“实验平台能力”“理论模型完备性”“应用场景牵引”三个层面协同推进:一是持续提升量子模拟器的可控性与可重复性,围绕驱动强度、随机性特征、系统耦合结构等关键参数开展更精细的扫描实验,形成可对标的基准数据集;二是加强量子热化与信息传播的交叉研究,将实验结果与多体局域化、预热化理论、开放量子系统理论等相互印证,逐步建立能够给出可量化预测的分析工具;三是面向潜在应用需求,探索将“预热化平台”的稳定性转化为可用资源,例如在量子计算与量子模拟任务中延长有效相干窗口、优化驱动控制策略、降低无序化带来的计算误差等。
前景——随着量子芯片规模与控制精度不断提升,利用量子模拟器研究多体动力学将从“验证某一现象”走向“描绘可调相图与可控机制”。
随机驱动预热化的可调研究意味着,人们不仅能观测热化的发生,还可能逐步实现对热化节奏的主动塑形:在需要保持某些量子性质时延长平台,在需要快速达到热平衡以获取统计特征时加速热化。
可以预期,相关研究将推动量子控制、量子材料模拟以及复杂系统动力学的交叉融合,并为我国在量子信息基础研究与关键技术路径上积累更具前瞻性的实验能力与理论话语权。
这项研究不仅拓展了人类对微观世界运行规律的认知边界,更彰显出我国在量子科技前沿领域的创新实力。
正如量子系统在混沌与有序间存在精妙平衡,基础研究的突破同样需要持之以恒的探索与恰到好处的创新节奏。
这项成果或将开启量子技术应用的新纪元,为未来能源、信息安全等领域带来革命性变革。