量子芯片|全数字化量子模拟出手 在量子芯片上“搭”出时间晶体( 二 )


论文共同第一作者、清华大学交叉信息研究院博士生蒋文杰说:一般来讲 , 模拟量子多体物质的演化过程需要许多复杂的量子‘积木’ , 我们根据模型的物理特性 , 提出了一种用最少的‘积木’造房子的方法 。
当要解决具体的问题时 , 只需要调用组合不同的‘积木’ , 而不需要更换芯片 。 论文共同第一作者、浙大物理学院博士生张叙认为 , 数字化量子模拟是一条通往通用量子计算的必经之路 。
此次 , 浙大研究团队首次尝试了全数字化量子模拟的实验方案 。 该方案在26量子比特的超导量子芯片上 , 通过操作高达240层深度的量子门 , 实现合作者的构思 。 相比于类比量子模拟 , 全数字化量子模拟的通用性更强 , 具有更高的编程灵活度和量子门精度 , 能够执行更多种类的量子算法 。
从理论上讲 , 数字化模拟可以适用于许多物理系统的研究 , 而不限于某个系统 。蒋文杰表示 。
周期性呼应的首尾部链状晶体
通过全数字化量子模拟 , 联合团队首次成功模拟了一个由26个准粒子组成的链状拓扑时间晶体 。 在退相干时间内 , 处于边缘的量子比特自旋随驱动周期性而关联响应 。 这种响应对初始状态完全不敏感 , 呈现了受拓扑保护的鲁棒性 , 即对特性或参数摄动的不敏感性 。 通过调制系统的扰动 , 实验成功刻画了该拓扑相与平庸热化相的边界 。
联合团队绘制了26个量子比特组成的链状拓扑时间晶体演化图 , 以便解释该现象 。 首尾两个粒子的自旋是长程纠缠的 , 它们会同时翻转并保持很长时间 。 在不同的时刻来看 , 中间的粒子没有稳定的关联 , 而首尾的粒子都会出现同时翻转和同时还原的现象 , 其周期为系统驱动的两倍 。 这种拓扑的性质 , 来源于对称性的保护 。
张叙对拓扑时间晶体的演化过程做了生动的比喻:就像一排小朋友听着耳机转圈圈 , 每个小朋友除了要根据自己听到的音乐节奏转圈圈 , 还要三三两两地合作完成杂技动作 。 这些特别设计的杂技动作具有拓扑性质 , 能通过量子效应将首尾两个小朋友的舞蹈‘纠缠’起来 。 即使音乐的节奏变了 , 仍可以观察到一头一尾两个小朋友之间存在稳定的‘默契’ , 也就是周期性地呈现某种呼应的现象 。
【量子芯片|全数字化量子模拟出手 在量子芯片上“搭”出时间晶体】研究团队认为 , 这次拓扑时间晶体的成功模拟 , 证明在超导量子芯片上使用数字化量子模拟的可行性 , 将启发人们在超导量子计算平台探索更多的新物质和新现象 。 下一步 , 研究团队将继续拓展量子芯片的规模和性能 , 以模拟性质更新、尺度更广、物理内涵更丰富的量子问题 , 为量子算法的发展和应用提供基础性的平台 。