超导量子芯片上“搭积木” 拓扑时间晶体被首次实现( 二 ) 本文转自：科技日报数字量子

王震介绍，量子计算是通过在量子比特上执行逻辑操作，也就是量子门实现的。不同量子门组合成不同的算法“积木” ，用于搭建科学家心目中的“建筑” 。在合作研究中，理论物理学者担着建筑师的角色，设计 “积木”的组合方式，浙大研究团队负责打造通用性更高的量子“积木” 。
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，这样在实验上就更容易实现。”
“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。
在评估邓东灵研究组提出的构思后，浙大研究团队首次尝试了 “全数字化量子模拟”的实验方案。在26量子比特的超导量子芯片上，通过操作高达240层深度的量子门用于实现合作者的构思。这一比“类比量子模拟”通用性更强的实验方案，使用超导量子芯片具有更高的编程灵活度，以及更高的量子门精度，以执行更多种类的量子算法。
“这项研究涉及时间晶体、拓扑、量子多体物质等许多复杂概念，使用类比模拟计算或许难以实现模拟任务。而浙大的实验平台目标是正好是通用的，可以满足我们的需要。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。”蒋文杰说。
链状晶体“首尾”周期性呼应
通过全数字化量子模拟，联合团队首次成功模拟了一个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的关联响应，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。通过调制系统扰动，实验成功刻画该拓扑相与平庸热化相的边界。
联合团队通过绘制26个量子比特组成的链状拓扑时间晶体演化图解释道，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，首尾都会出现同时翻转和同时还原，并且周期为系统驱动的两倍。而中间的“粒子”则没有稳定的关联。这一拓扑的性质是来源于受到对称性的保护。
张叙对拓扑时间晶体的演化过程做了生动的比喻：“有点类似于一排小朋友听着耳机转圈圈，每个小朋友除了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。这些特别设计的动作具有拓扑性质，也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存在稳定的 ‘默契’ ，周期性地呈现某种呼应。”
蒋文杰解释说，时间晶体的本质是时间平移对称性被破坏，而在联合团队构造的系统则具有拓扑性，链的边缘两端和内部呈现出不同的性质，只有链的两端呈现出时间平移性的破坏。
【超导量子芯片上“搭积木” 拓扑时间晶体被首次实现】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，它将启发人们继续在超导量子计算平台探索更多新奇的新物质、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，并为量子算法的发展和应用探索提供基础平台。