全數(shù)字化量子模擬出手在量子芯片上“搭”出時間晶體

洪恒飛

此次，浙大研究團隊首次嘗試了“全數(shù)字化量子模擬”的實驗方案。該方案在26量子比特的超導(dǎo)量子芯片上，通過操作高達240層深度的量子門，實現(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，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。而時間晶體，也就是一種四維以上的空間晶體，其特征在時間上也呈現(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?？蒲腥藛T在超導(dǎo)量子芯片上首次采用全數(shù)字化量子模擬方式，實現(xiàn)了“拓撲時間晶體”這種全新的物質(zhì)狀態(tài)。

在研究中，研究人員成功觀測到了“拓撲時間晶體”的邊緣因拓撲保護而呈現(xiàn)出離散時間晶體的行為，即浮球（Floquet）對稱保護拓撲相。在超導(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)前沿問題。

在尋找時間晶體過程中另辟蹊徑

聯(lián)合團隊繪制的數(shù)字量子模擬拓撲時間晶體概念圖顯示，超導(dǎo)量子芯片內(nèi)部就像一個多姿多彩的量子世界。科學(xué)家們在這個量子世界中構(gòu)建“拓撲時間晶體”?！巴負鋾r間晶體”規(guī)則排布的晶體代表保護拓撲的對稱性，旋轉(zhuǎn)的指針代表時間維度，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)于時間晶體，有科學(xué)家曾提出離散時間晶體的概念，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)造時間晶體的理論模型;而在實驗方面，近年來，有研究團隊分別在離子阱平臺、金剛石色心平臺和核磁共振量子平臺等多個平臺上實現(xiàn)了“離散時間晶體”。

時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)處于能量最低時的狀態(tài)。浙大物理學(xué)院研究員王震解釋說：“時間晶體并不需要像鐘表運行那樣消耗能量，其‘天性類似于頻閃或者呼吸，是周期性變化的。”

兩年前，清華大學(xué)教授鄧東靈開始構(gòu)思一種新的時間晶體，即嘗試將拓撲的概念引入時間晶體。通過與浙大超導(dǎo)量子計算團隊合作，他嘗試在超導(dǎo)量子芯片上創(chuàng)造這類全新的時間晶體。“常規(guī)的時間晶體已經(jīng)在一些實驗平臺中實現(xiàn)，而我們想嘗試別人沒有做過的?！蓖跽鹫f。

聯(lián)合團隊基于浙大杭州國際科創(chuàng)中心量子計算創(chuàng)新工坊發(fā)布的“天目1號”超導(dǎo)量子芯片開展實驗。該芯片依托于浙江大學(xué)微納加工中心制作，其平均比特相干時間突破100微秒，達到了國際先進水平。該芯片采用較易擴展的近鄰連通架構(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，在解決經(jīng)典計算機無法勝任的復(fù)雜問題方面，量子計算顯示出越來越強大的能力?？茖W(xué)家們認為，為了研究出適用范圍廣闊的“通用型量子計算”，首先要實現(xiàn)研究特定的、專門的現(xiàn)象和問題“專門型量子計算”。

據(jù)王震介紹，量子計算是通過在量子比特上執(zhí)行邏輯操作的計算，也就是通過量子門實現(xiàn)的計算。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“積木”的組合方式。而浙大研究團隊，則負責(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：“一般來講，模擬量子多體物質(zhì)的演化過程需要許多復(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)要解決具體的問題時，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)院博士生張敘認為，數(shù)字化量子模擬是一條通往通用量子計算的必經(jīng)之路。

此次，浙大研究團隊首次嘗試了“全數(shù)字化量子模擬”的實驗方案。該方案在26量子比特的超導(dǎo)量子芯片上，通過操作高達240層深度的量子門，實現(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，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，而不限于某個系統(tǒng)?！笔Y文杰表示。

周期性呼應(yīng)的首尾部鏈狀晶體

通過全數(shù)字化量子模擬，聯(lián)合團隊首次成功模擬了一個由26個“準(zhǔn)粒子”組成的鏈狀拓撲時間晶體。在退相干時間內(nèi)，處于邊緣的量子比特自旋隨驅(qū)動周期性而關(guān)聯(lián)響應(yīng)。這種響應(yīng)對初始狀態(tài)完全不敏感，呈現(xiàn)了受拓撲保護的魯棒性，即對特性或參數(shù)攝動的不敏感性。通過調(diào)制系統(tǒng)的擾動，實驗成功刻畫了該拓撲相與平庸熱化相的邊界。

聯(lián)合團隊繪制了26個量子比特組成的鏈狀拓撲時間晶體演化圖，以便解釋該現(xiàn)象。首尾兩個“粒子”的自旋是長程糾纏的，它們會同時翻轉(zhuǎn)并保持很長時間。在不同的時刻來看，中間的“粒子”沒有穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)，而首尾的“粒子”都會出現(xiàn)同時翻轉(zhuǎn)和同時還原的現(xiàn)象，其周期為系統(tǒng)驅(qū)動的兩倍。這種拓撲的性質(zhì)，來源于對稱性的保護。

張敘對拓撲時間晶體的演化過程做了生動的比喻：“就像一排小朋友聽著耳機轉(zhuǎn)圈圈，每個小朋友除了要根據(jù)自己聽到的音樂節(jié)奏轉(zhuǎn)圈圈，還要三三兩兩地合作完成雜技動作。這些特別設(shè)計的雜技動作具有拓撲性質(zhì)，能通過量子效應(yīng)將首尾兩個小朋友的舞蹈‘糾纏起來。即使音樂的節(jié)奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個小朋友之間存在穩(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>

研究團隊認為，這次拓撲時間晶體的成功模擬，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)人們在超導(dǎo)量子計算平臺探索更多的新物質(zhì)和新現(xiàn)象。下一步，研究團隊將繼續(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)涵更豐富的量子問題，為量子算法的發(fā)展和應(yīng)用提供基礎(chǔ)性的平臺。