在量子計算領(lǐng)域，一項突破性研究正引發(fā)廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院物理研究所與北京大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊，通過自主研發(fā)的78量子比特超導(dǎo)芯片“莊子2.0”，首次在實(shí)驗中觀測到量子系統(tǒng)特有的“預(yù)熱化”現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了對該過程的主動調(diào)控。這項成果登上國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》，標(biāo)志著人類向理解復(fù)雜量子系統(tǒng)邁出關(guān)鍵一步。

量子熱化是量子系統(tǒng)演化的核心特征之一。當(dāng)量子系統(tǒng)與外界環(huán)境相互作用時，其能量與信息會逐漸擴(kuò)散，最終達(dá)到類似熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。這個過程類似于墨水在清水中自然擴(kuò)散，初始的清晰邊界會隨著時間推移逐漸模糊直至消失。在量子計算機(jī)中，熱化速度直接影響量子比特的相干時間，進(jìn)而決定計算結(jié)果的可靠性。

研究團(tuán)隊在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)了令人意外的現(xiàn)象：量子系統(tǒng)在完全熱化之前，會經(jīng)歷一個相對穩(wěn)定的中間階段。這個被命名為“預(yù)熱化平臺”的階段，如同冰塊在0℃時的相變過程——雖然持續(xù)吸收熱量，但溫度保持不變，微觀結(jié)構(gòu)仍保留部分初始特征。實(shí)驗數(shù)據(jù)顯示，通過精確調(diào)控驅(qū)動脈沖的頻率與強(qiáng)度，量子系統(tǒng)在預(yù)熱化階段的停留時間可被延長或縮短，最高可達(dá)數(shù)個數(shù)量級的差異。

“這顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知。”項目核心成員許凱副研究員解釋道，“按照經(jīng)典物理的直覺，外界驅(qū)動越強(qiáng)，系統(tǒng)應(yīng)該越快達(dá)到平衡狀態(tài)。但我們的實(shí)驗證明，量子系統(tǒng)存在獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制，通過設(shè)計特定的驅(qū)動協(xié)議，反而能讓系統(tǒng)保持有序狀態(tài)更長時間。”這種反直覺的發(fā)現(xiàn)，為量子信息處理開辟了新的可能性。

在“莊子2.0”芯片上，研究人員構(gòu)建了包含78個超導(dǎo)量子比特的二維晶格結(jié)構(gòu)。通過精確控制每個量子比特的微波驅(qū)動信號，團(tuán)隊成功觀測到預(yù)熱化平臺的形成與演化過程。實(shí)驗數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)采用特定調(diào)制方案時，量子系統(tǒng)的信息保留時間可提升300%以上，同時熱化速率呈現(xiàn)明顯的非線性特征。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)抗干擾量子存儲器提供了理論依據(jù)。

該研究的技術(shù)突破具有雙重價值。在基礎(chǔ)科學(xué)層面，預(yù)熱化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為理解量子多體系統(tǒng)的非平衡動力學(xué)提供了新范式，相關(guān)理論可延伸至?xí)r間晶體、多體局域化等前沿領(lǐng)域。在應(yīng)用技術(shù)層面，通過延長預(yù)熱化平臺期，量子計算機(jī)有望在更長時間內(nèi)維持計算所需的量子態(tài)，這對實(shí)現(xiàn)容錯量子計算具有重要意義。

目前，研究團(tuán)隊正在開發(fā)新一代超導(dǎo)量子芯片，計劃將量子比特數(shù)量提升至500個以上。通過優(yōu)化芯片架構(gòu)與驅(qū)動協(xié)議，他們期望在更復(fù)雜的量子系統(tǒng)中驗證預(yù)熱化調(diào)控的普適性，為最終實(shí)現(xiàn)可驗證的量子計算優(yōu)勢奠定基礎(chǔ)。這項持續(xù)推進(jìn)的研究，正在將科幻作品中描繪的量子智能場景，逐步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)可行的技術(shù)方案。