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在科幻電影《流浪地球2》中，依賴量子計算的超級智能體“MOSS”，能夠預測和掌控人類難以理解的復雜系統(tǒng)。這也正是現(xiàn)實量子世界面臨的難題：當量子系統(tǒng)被外部力量不斷推動時，它的“熱化”——吸收能量和丟失信息的過程——并不總是單調(diào)進行，而可能在完全混亂前停留在一個短暫卻穩(wěn)定的階段。這個反直覺的“預熱化”會持續(xù)多久、何時加快或減慢，又受到哪些因素影響，早已超出經(jīng)典計算機的預測能力。

給量子系統(tǒng)“加熱”好似給一塊冰升溫：一開始溫度上升很快，隨后進入冰和水共存的階段。此時即便繼續(xù)加熱，溫度依舊長時間卡在 0 攝氏度不再上升，因為能量被用來“融冰”而不是升溫。量子系統(tǒng)中也出現(xiàn)了類似情形——外界不斷輸入能量，但系統(tǒng)并沒有立刻變得混亂，而是停留在一個相對穩(wěn)定的“預熱化平臺”。通過改變加熱的方式和節(jié)奏，科學家可以調(diào)節(jié)平臺的持續(xù)時間。只有當這個階段結(jié)束后，系統(tǒng)才會像冰完全融化后那樣，內(nèi)部狀態(tài)迅速變得復雜。此時信息在整個系統(tǒng)中擴散，其復雜程度經(jīng)典計算機已經(jīng)無法算準。

中國科學院物理研究所/北京量子院智能量子團隊與北京大學合作者在一塊包含 78 個量子比特的超導芯片“莊子 2.0”上進行了實驗，不僅發(fā)現(xiàn)了預熱化平臺和可控規(guī)律，還展示了量子芯片在模擬復雜系統(tǒng)上的獨特優(yōu)勢。就像科幻里的“MOSS”能預測復雜演化一樣，現(xiàn)實中的量子計算機也能掌握那些經(jīng)典計算機算不清的節(jié)奏。通過這樣的研究，我們離理解和控制高度復雜的量子世界，又更近了一步。

相關(guān)結(jié)果以“Prethermalization by random multipolar driving on a 78-qubit processor”為題在線發(fā)表于2026年1月28日的《自然》雜志。北京量子院兼聘/物理所范桁研究員、許凱副研究員、相忠誠副主任工程師，北京大學趙宏政助理教授為本文通訊作者,作者還包括北京量子院以及英德等國的科研人員。

Q&A：

1.什么是量子系統(tǒng)的熱化，為什么重要？

答：量子系統(tǒng)的熱化指的是一個量子多體系統(tǒng)在演化過程中，能量和信息逐漸均勻分布，最終達到類似熱平衡的狀態(tài)。換句話說，系統(tǒng)會丟失初始信息，表現(xiàn)得像隨機熱態(tài)。熱化研究對量子計算非常關(guān)鍵，因為過快的熱化意味著量子信息無法保持，系統(tǒng)相干性喪失，量子計算結(jié)果難以可靠保存和讀取。因此，理解熱化規(guī)律有助于設(shè)計可控量子操作、延長量子態(tài)壽命，直接影響量子計算的實用性。

2.什么是預熱化（prethermalization）？為什么它反直覺？

答：預熱化是熱化過程中的一個中間階段，系統(tǒng)雖然受到外場驅(qū)動，但不會立即進入完全混亂狀態(tài)，而是停留在一個短暫的、相對穩(wěn)定的“平臺”上。在這個階段，系統(tǒng)仍能保留初始狀態(tài)的信息，熵的增長被抑制。這種現(xiàn)象反直覺的原因在于，按常理強驅(qū)動會讓系統(tǒng)快速走向熱平衡，但預熱化顯示，熱化并非單調(diào)不可控，而是可以出現(xiàn)可觀察、可調(diào)的中間狀態(tài)，為量子信息保存提供可能。

3.隨機多極驅(qū)動（Random Multipolar Driving, RMD）具體是怎么操作的？

答：隨機多極驅(qū)動是一種特殊的外場驅(qū)動方式，它的基本單元基于Thue-Morse 序列，具有非周期性和自相似的特性。在實驗中，不同階數(shù)n對應不同的序列組合：例如 n=0時只隨機使用 0 和 1；更高階n會使用更長、更復雜的序列如 01、10、0110 或 1001，每次實驗只使用同一個階數(shù)的序列來驅(qū)動系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)序列的階數(shù)和驅(qū)動周期，實驗團隊能夠主動控制量子系統(tǒng)的熱化節(jié)奏，觀察預熱化平臺的形成和演化。

4.實驗中觀察到的預熱化平臺有什么特點？

答：預熱化平臺表現(xiàn)為系統(tǒng)在完全熱化前的穩(wěn)定階段。其特點包括：

（1）系統(tǒng)仍保留大部分初始信息，熵增長受抑制；

（2）平臺持續(xù)時間可調(diào)，取決于驅(qū)動的階數(shù)和周期；

（3）隨著演化繼續(xù)，系統(tǒng)糾纏迅速增長，信息擴散呈體積律，說明系統(tǒng)的復雜度大幅增加。

這些特點顯示，預熱化不僅是短暫現(xiàn)象，而且具有可控性，是量子系統(tǒng)動力學的重要規(guī)律。

5.為什么經(jīng)典計算機無法模擬百比特級的預熱化？

答：經(jīng)典計算機模擬量子多體系統(tǒng)的困難在于系統(tǒng)的希爾伯特空間呈指數(shù)級增長。對于接近百比特的量子系統(tǒng)，即使使用最先進的張量網(wǎng)絡(luò)算法，也難以在合理時間和精度下完整描述糾纏增長和信息擴散。而量子計算平臺本身就是量子系統(tǒng)，因此可以自然演化并觀測這些復雜動力學，實現(xiàn)經(jīng)典計算無法完成的模擬。

6. 78比特量子芯片并不是目前報道比特數(shù)最高的芯片，那為什么該芯片可以完成如此重要的實驗？是實驗方案設(shè)計巧妙、還是芯片性能更好？

答：78 比特芯片能完成這個重要實驗，是方案設(shè)計創(chuàng)新、特色測控技術(shù)、芯片規(guī)模和性能共同作用的結(jié)果，完成一個重要的成果并非單純依賴比特數(shù)堆砌就能實現(xiàn)，涉及到全流程系統(tǒng)性的研究，也是實驗-數(shù)值-理論協(xié)同攻堅的結(jié)果。

7.通過本研究成果，是否意味著完成實用化的量子計算有了更可靠的預熱方案？是否具有熱點量子計算問題的普適性？有哪些問題可以因此而得到解決？

答：目前的實驗方案屬于國際首次在量子模擬器上實現(xiàn)超越周期（準周期）的隨機驅(qū)動的可調(diào)預熱化的系統(tǒng)性的研究，為人工驅(qū)動調(diào)控量子系統(tǒng)拓寬了新的研究方向，可以與時間晶體，多體局域化等熱點問題相結(jié)合。文章還系統(tǒng)分析了當前主流的幾種數(shù)值方法的結(jié)果，為數(shù)值進行大規(guī)模量子模擬也提供了新的技術(shù)思路，有助于量子-經(jīng)典在競爭中互相促進與發(fā)展。

8.是否團隊有更多的研究計劃，如比特數(shù)增多是不是意味著未來可以進行更大規(guī)模、聯(lián)機的量子計算實驗？

答：研制更大規(guī)模超導量子芯片（百比特以上），實現(xiàn)多種比特耦合架構(gòu)和高精度操控技術(shù)，實驗探索等更復雜多體問題，力爭展現(xiàn) “可驗證的實用化量子優(yōu)勢”。比特數(shù)增多是實現(xiàn)更大規(guī)模、聯(lián)機量子計算實驗的重要基礎(chǔ)。