這項(xiàng)研究將有助于保護(hù)量子比特中的量子信息，同時(shí)設(shè)計(jì)出更好的量子糾錯(cuò)方案。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科學(xué)家們首次直接觀測(cè)并控制了預(yù)熱化——量子系統(tǒng)中一個(gè)短暫但關(guān)鍵的過(guò)渡狀態(tài)。

這項(xiàng)研究使用了名為"莊子2.0"的78比特超導(dǎo)處理器，為科學(xué)家們調(diào)控量子退相干、從而更好地控制量子環(huán)境鋪平了道路。

就像靜止的鐘擺被推動(dòng)后會(huì)回到靜止?fàn)顟B(tài)一樣，量子系統(tǒng)受到干擾后也會(huì)回到平衡狀態(tài)。系統(tǒng)中存儲(chǔ)的任何信息或能量都會(huì)開(kāi)始均勻擴(kuò)散并最終分布開(kāi)來(lái)。

雖然這聽(tīng)起來(lái)很正常，但在量子計(jì)算中卻是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為量子退相干，它會(huì)導(dǎo)致量子比特丟失信息，也可能阻止計(jì)算結(jié)果被保存和檢索。

量子計(jì)算機(jī)來(lái)幫忙

盡管科學(xué)家們?cè)缇椭懒孔油讼喔涩F(xiàn)象，但尚未弄清楚其作用機(jī)制。部分原因是計(jì)算量子退相干的時(shí)間尺度超出了當(dāng)今經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力范圍。

因此，物理研究所的研究人員決定使用名為"莊子"的78比特量子計(jì)算機(jī)來(lái)理解這一過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為"莊子"在量子計(jì)算中的作用相當(dāng)于戰(zhàn)斗機(jī)研究中的風(fēng)洞。

"對(duì)于一個(gè)擁有近100個(gè)比特的量子系統(tǒng)，其狀態(tài)空間極其巨大，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行全狀態(tài)模擬是不現(xiàn)實(shí)的，"參與此項(xiàng)工作的物理研究所范桁教授解釋道，"作為天然量子系統(tǒng)，量子處理器可以直接'演化'并揭示這種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。"

預(yù)熱化

使用"莊子"進(jìn)行的計(jì)算首次向研究人員展示了量子退相干過(guò)程中一個(gè)反直覺(jué)的中間階段，稱(chēng)為預(yù)熱化。這一步類(lèi)似于冰融化成水但溫度保持在0攝氏度時(shí)的穩(wěn)定平臺(tái)期。

同樣，在預(yù)熱化期間，量子系統(tǒng)會(huì)抵抗混沌并保護(hù)其中存儲(chǔ)的信息。這為在退相干發(fā)生前保存量子信息提供了機(jī)會(huì)。

"在'莊子2.0'上，我們清楚地看到混沌在這個(gè)平臺(tái)期內(nèi)受到抑制，"范桁補(bǔ)充道，"但一旦這個(gè)時(shí)期結(jié)束，復(fù)雜性就會(huì)爆發(fā)，信息充斥整個(gè)系統(tǒng)。預(yù)熱化平臺(tái)期的存在表明，在信息耗散之前存在一個(gè)可以利用量子信息的潛在時(shí)間窗口。"

研究人員還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)階段雖然是短暫的，但具有高度可控性。隨后，他們使用定制的控制序列來(lái)操縱系統(tǒng)，成功地調(diào)整了序列的模式和時(shí)序。就像調(diào)節(jié)熱量一樣，研究人員能夠增加和減少預(yù)熱化的持續(xù)時(shí)間。

理解熱化過(guò)程將使研究人員能夠設(shè)計(jì)出可控的量子操作，并有助于延長(zhǎng)量子態(tài)的壽命。

研究人員還希望他們的研究有助于設(shè)計(jì)更好的量子糾錯(cuò)方案，延長(zhǎng)量子比特的相干時(shí)間。此外，這項(xiàng)研究也展示了量子計(jì)算機(jī)如何幫助解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

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