快捷搜索:  

全数字化量子模拟出手 在量子芯片上“搭”出时间晶体

食盐、矿石等人(ren)们(men)日常熟悉的(de)一般晶体,构成它(ta)们(men)的(de)原子在空间排列上呈现周期性变化的(de)规律。而时间(shijian)晶体,也就是(shi)一种四维以上的(de)空间晶体,其特征在时间(shijian)上也呈现出周期性变化的(de)规律。

近日,《自然》杂志发表了由浙江大学(以下简称浙大)物理学院王震、王浩华研究组与清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组等合作的(de)研究成果。科研人(ren)员在超导量子芯片上首次采用全数字化量子模拟方式,实现了“拓扑时间(shijian)晶体”这种全新的(de)物质状态。

在研究中,研究人(ren)员成功观测到了“拓扑时间(shijian)晶体”的(de)边缘因拓扑保护而呈现出离散时间(shijian)晶体的(de)行为,即浮球(Floquet)对(dui)称保护拓扑相。在超导量子芯片上使用数字化量子模拟的(de)方法,有望被用于探索更多的(de)物理学前沿问题。

在寻找时间(shijian)晶体过程中另辟蹊径

联合团队(tuandui)(dui)绘制的(de)数字量子模拟拓扑时间(shijian)晶体概念图显示,超导量子芯片内部就像一个多姿多彩的(de)量子世界。科学家们(men)在这个量子世界中构建(jian)“拓扑时间(shijian)晶体”。“拓扑时间(shijian)晶体”规则排布的(de)晶体代表保护拓扑的(de)对(dui)称性,旋转的(de)指针代表时间(shijian)维度,中间不断流出的(de)数字则代表数字模拟……

在理论方面,关于时间(shijian)晶体,有科学家曾提出离散时间(shijian)晶体的(de)概念,并提出了在一类非平衡态系统——量子多体局域化系统中创造时间(shijian)晶体的(de)理论模型;而在实验方面,近年来,有研究团队(tuandui)(dui)分别在离子阱平台、金刚石色心平台和核磁共振量子平台等多个平台上实现了“离散时间(shijian)晶体”。

时间(shijian)晶体的(de)特殊之处在于,它(ta)的(de)周期性重复是(shi)自然且稳定的(de)“基态”,即物质处于能量最低时的(de)状态。浙大物理学院研究员王震解释说:“时间(shijian)晶体并不需要像钟表运行那样消耗能量,其‘天性’类似于频(pin)闪或者呼吸,是(shi)周期性变化的(de)。”

两年前,清华大学教授邓东灵开始构思一种新的(de)时间(shijian)晶体,即尝试将拓扑的(de)概念引入时间(shijian)晶体。通过与浙大超导量子计算团队(tuandui)(dui)合作,他(ta)尝试在超导量子芯片上创造这类全新的(de)时间(shijian)晶体。“常规的(de)时间(shijian)晶体已经在一些实验平台中实现,而我(wo)们(men)想尝试别人(ren)没有做过的(de)。”王震说。

联合团队(tuandui)(dui)基于浙大杭州国际科创中心量子计算创新工坊发布的(de)“天目1号”超导量子芯片开展实验。该芯片依托于浙江大学微纳加工中心制作,其平均比特相干时间(shijian)突破100微秒,达到了国际先进水平。该芯片采用较易扩展的(de)近邻连通架构,具备更高的(de)编程灵活度,以便执行更多种类的(de)量子算法,具有更加广阔的(de)研究前景。

打磨出“全数字化模拟”利器

近年来,在解决经典计算机无法胜任的(de)复杂问题方面,量子计算显示出越来越强大的(de)能力。科学家们(men)认为,为了研究出适用范围广阔的(de)“通用型量子计算”,首先要实现研究特定的(de)、专门的(de)现象和问题“专门型量子计算”。

据王震介绍,量子计算是(shi)通过在量子比特上执行逻辑操作的(de)计算,也就是(shi)通过量子门实现的(de)计算。不同的(de)量子门组合成不同的(de)算法“积木”,用于搭建(jian)科学家心目中的(de)“建(jian)筑”。在此次合作研究中,理论物理学者们(men)承担着建(jian)筑师的(de)角色,设(she)计 “积木”的(de)组合方式。而浙大研究团队(tuandui)(dui),则负责打造通用性更高的(de)量子“积木”,为“建(jian)筑”的(de)建(jian)成提供原材料。

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(de)演化过程需要许多复杂的(de)量子‘积木’,我(wo)们(men)根据模型的(de)物理特性,提出了一种用最少的(de)‘积木’造房子的(de)方法。”

“当要解决具体的(de)问题时,只需要调用组合不同的(de)‘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(shi)一条通往通用量子计算的(de)必经之路。

此次,浙大研究团队(tuandui)(dui)首次尝试了“全数字化量子模拟”的(de)实验方案。该方案在26量子比特的(de)超导量子芯片上,通过操作高达240层深度的(de)量子门,实现合作者的(de)构思。相比于“类比量子模拟”,“全数字化量子模拟”的(de)通用性更强,具有更高的(de)编程灵活度和量子门精度,能够执行更多种类的(de)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(de)研究,而不限于某个系统。” 蒋文杰表示。

周期性呼应的(de)首尾部链状晶体

通过全数字化量子模拟,联合团队(tuandui)(dui)首次成功模拟了一个由26个“准粒子”组成的(de)链状拓扑时间(shijian)晶体。在退相干时间(shijian)内,处于边缘的(de)量子比特自旋随驱动周期性而关联响应。这种响应对(dui)初始状态完全不敏感,呈现了受拓扑保护的(de)鲁棒性,即对(dui)特性或参数摄动的(de)不敏感性。通过调制系统的(de)扰动,实验成功刻画了该拓扑相与平庸热化相的(de)边界。

联合团队(tuandui)(dui)绘制了26个量子比特组成的(de)链状拓扑时间(shijian)晶体演化图,以便解释该现象。首尾两个“粒子”的(de)自旋是(shi)长程纠缠的(de),它(ta)们(men)会同时翻转并保持很长时间(shijian)。在不同的(de)时刻来看,中间的(de)“粒子”没有稳定的(de)关联,而首尾的(de)“粒子”都会出现同时翻转和同时还原的(de)现象,其周期为系统驱动的(de)两倍。这种拓扑的(de)性质,来源于对(dui)称性的(de)保护。

张叙对(dui)拓扑时间(shijian)晶体的(de)演化过程做了生动的(de)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(de)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(she)计的(de)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(de)舞蹈‘纠缠’起来。即使音乐的(de)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(de)‘默契’,也就是(shi)周期性地呈现某种呼应的(de)现象。”

研究团队(tuandui)(dui)认为,这次拓扑时间(shijian)晶体的(de)成功模拟,证明在超导量子芯片上使用数字化量子模拟的(de)可行性,将启发人(ren)们(men)在超导量子计算平台探索更多的(de)新物质和新现象。下一步,研究团队(tuandui)(dui)将继续拓展量子芯片的(de)规模和性能,以模拟性质更新、尺度更广、物理内涵更丰富的(de)量子问题,为量子算法的(de)发展和应用提供基础性的(de)平台。

(洪恒飞 周 炜 吴瑶瑶 本报记者 江 耘) 【编辑:陈海峰】

山西临汾男子离世 生命在3个陌生人(ren)身上延续

打拐一线的(de)“无名英雄”:用爱与坚持铺就团圆路

30万元可“买”人(ren)才身份?杭州回应将依法处理

佛教中国化是(shi)佛教的(de)世俗化吗?

厦门警方:两名游泳馆教练不配合疫情防控 被行拘

上海开启“炙烤”模式 记者直击高温下的(de)封控社区

直击义乌疫情:病毒隐匿性更强 一县支援一镇保供

四川彭州山洪灾害搜救排查工作接近尾声 已致7死8伤

独家对(dui)话航司(si):滞留三亚旅客离岛航班何种条件可起飞

天气炎热 但别用生命和安全为清凉和玩耍打卡

最具发展潜力的(de)全民健身活动?飞盘掀起新户外运动热

电影节有何文化意涵?

泡泡玛特市值较高点跌八成 盲盒经济退潮?

卖鸡蛋的(de)盲人(ren)张喜平:几十春秋坎坷 从容应对(dui)苦难人(ren)生

隐藏机密文件、违反《间谍法》?特朗普会面临牢狱之灾吗?

31省份7月CPI出炉:8地物价涨幅收窄,有你(ni)家乡吗

反腐风暴持续 河南金融监管系统1个月内7人(ren)被查

抛开年龄“枷锁” 中国涌现“逆社会时钟”人(ren)群

量子芯片,离散时间,退相干,拓扑,积木

您可能还会对下面的文章感兴趣:

共有:449人留言! 共有:449人喜欢本文! 点赞 最新评论 查看所有评论
加载中......
发表评论