全數字化量子模擬出手在量子芯片上“搭”出時間晶體

2022-08-16

◎洪恆飛周煒吳瑤瑤本報記者江耘

此次，浙大研究團隊首次嘗試了“全數字化量子模擬”的實驗方案。該方案在26量子比特的超導量子芯片上，通過操作高達240層深度的量子門，實現合作者的構思。相比於“類比量子模擬”，“全數字化量子模擬”的通用性更強，具有更高的編程靈活度和量子門精度，能夠執行更多種類的量子算法。

食鹽、礦石等人們日常熟悉的一般晶體，構成它們的原子在空間排列上呈現週期性變化的規律。而時間晶體，也就是一種四維以上的空間晶體，其特徵在時間上也呈現出週期性變化的規律。

近日，《自然》雜誌發表了由浙江大學（以下簡稱浙大）物理學院王震、王浩華研究組與清華大學交叉信息研究院鄧東靈研究組等合作的研究成果。科研人員在超導量子芯片上首次採用全數字化量子模擬方式，實現了“拓撲時間晶體”這種全新的物質狀態。

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出離散時間晶體的行為，即浮球（Floquet）對稱保護拓撲相。在超導量子芯片上使用數字化量子模擬的方法，有望被用於探索更多的物理學前沿問題。

在尋找時間晶體過程中另闢蹊徑

聯合團隊繪製的數字量子模擬拓撲時間晶體概念圖顯示，超導量子芯片內部就像一個多姿多彩的量子世界。科學家們在這個量子世界中構建“拓撲時間晶體”。“拓撲時間晶體”規則排布的晶體代表保護拓撲的對稱性，旋轉的指針代表時間維度，中間不斷流出的數字則代表數字模擬……

在理論方面，關於時間晶體，有科學家曾提出離散時間晶體的概念，並提出了在一類非平衡態系統——量子多體局域化系統中創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台、金剛石色心平台和核磁共振量子平台等多個平台上實現了“離散時間晶體”。

時間晶體的特殊之處在於，它的週期性重複是自然且穩定的“基態”，即物質處於能量最低時的狀態。浙大物理學院研究員王震解釋説：“時間晶體並不需要像鐘錶運行那樣消耗能量，其‘天性’類似於頻閃或者呼吸，是週期性變化的。”

兩年前，清華大學教授鄧東靈開始構思一種新的時間晶體，即嘗試將拓撲的概念引入時間晶體。通過與浙大超導量子計算團隊合作，他嘗試在超導量子芯片上創造這類全新的時間晶體。“常規的時間晶體已經在一些實驗平台中實現，而我們想嘗試別人沒有做過的。”王震説。

聯合團隊基於浙大杭州國際科創中心量子計算創新工坊發佈的“天目1號”超導量子芯片開展實驗。該芯片依託於浙江大學微納加工中心製作，其平均比特相干時間突破100微秒，達到了國際先進水平。該芯片採用較易擴展的近鄰連通架構，具備更高的編程靈活度，以便執行更多種類的量子算法，具有更加廣闊的研究前景。

打磨出“全數字化模擬”利器

近年來，在解決經典計算機無法勝任的複雜問題方面，量子計算顯示出越來越強大的能力。科學家們認為，為了研究出適用範圍廣闊的“通用型量子計算”，首先要實現研究特定的、專門的現象和問題“專門型量子計算”。

據王震介紹，量子計算是通過在量子比特上執行邏輯操作的計算，也就是通過量子門實現的計算。不同的量子門組合成不同的算法“積木”，用於搭建科學家心目中的“建築”。在此次合作研究中，理論物理學者們承擔着建築師的角色，設計 “積木”的組合方式。而浙大研究團隊，則負責打造通用性更高的量子“積木”，為“建築”的建成提供原材料。

論文共同第一作者、清華大學交叉信息研究院博士生蔣文傑説：“一般來講，模擬量子多體物質的演化過程需要許多複雜的量子‘積木’，我們根據模型的物理特性，提出了一種用最少的‘積木’造房子的方法。”

“當要解決具體的問題時，只需要調用組合不同的‘積木’，而不需要更換芯片。”論文共同第一作者、浙大物理學院博士生張敍認為，數字化量子模擬是一條通往通用量子計算的必經之路。

“從理論上講，數字化模擬可以適用於許多物理系統的研究，而不限於某個系統。” 蔣文傑表示。

週期性呼應的首尾部鏈狀晶體

通過全數字化量子模擬，聯合團隊首次成功模擬了一個由26個“準粒子”組成的鏈狀拓撲時間晶體。在退相干時間內，處於邊緣的量子比特自旋隨驅動週期性而關聯響應。這種響應對初始狀態完全不敏感，呈現了受拓撲保護的魯棒性，即對特性或參數攝動的不敏感性。通過調製系統的擾動，實驗成功刻畫了該拓撲相與平庸熱化相的邊界。

聯合團隊繪製了26個量子比特組成的鏈狀拓撲時間晶體演化圖，以便解釋該現象。首尾兩個“粒子”的自旋是長程糾纏的，它們會同時翻轉並保持很長時間。在不同的時刻來看，中間的“粒子”沒有穩定的關聯，而首尾的“粒子”都會出現同時翻轉和同時還原的現象，其週期為系統驅動的兩倍。這種拓撲的性質，來源於對稱性的保護。

張敍對拓撲時間晶體的演化過程做了生動的比喻：“就像一排小朋友聽着耳機轉圈圈，每個小朋友除了要根據自己聽到的音樂節奏轉圈圈，還要三三兩兩地合作完成雜技動作。這些特別設計的雜技動作具有拓撲性質，能通過量子效應將首尾兩個小朋友的舞蹈‘糾纏’起來。即使音樂的節奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個小朋友之間存在穩定的‘默契’，也就是週期性地呈現某種呼應的現象。”

研究團隊認為，這次拓撲時間晶體的成功模擬，證明在超導量子芯片上使用數字化量子模擬的可行性，將啓發人們在超導量子計算平台探索更多的新物質和新現象。下一步，研究團隊將繼續拓展量子芯片的規模和性能，以模擬性質更新、尺度更廣、物理內涵更豐富的量子問題，為量子算法的發展和應用提供基礎性的平台。