用超导量子计算机模拟复杂粒子的集体运动

本文报道了一项利用超导量子处理器开展的前沿实验研究，聚焦于量子多体系统的非平衡动力学行为。研究团队构建了一个由16个可调频超导量子比特组成的三维集成芯片，系统有效哈密顿量对应二维自旋-XY模型，具有U(1)对称性（即总自旋守恒）。研究人员选取其中两个相邻量子比特作为待研究子系统A，其余作为互补子系统B，通过‘投影系综’这一新概念展开分析：即对B进行投影测量后，获得A的一系列后测量态，构成一个量子态集合。这种系综比传统约化密度矩阵能保留更多全局波函数信息，尤其适用于揭示高阶量子关联。

实验发现，在长时间演化后，该系统在电荷守恒子空间内的投影系综呈现出接近‘哈尔随机分布’的特征——这是‘深度热化’的直接实验证据。深度热化是一种比常规量子热化更强的形式，表明系统不仅局域观测量达到热平衡，其整个量子态结构也趋于完全随机。此外，研究团队创新性地定义了‘系综平均熵’作为衡量多体信息泄露的标尺：当系统与环境发生耦合，量子态纯度下降，投影系综中各态的混合程度上升，导致该熵值线性增长。实验测得的多体退相干时间（约0.94微秒）明显短于单量子比特的平均退相干时间，说明传统仅依赖单比特T1/T2的噪声表征方法，在多体场景下会严重低估实际信息泄露程度。这证明了多体系统对不同类型噪声（如白噪声与1/f噪声）的敏感性存在本质差异——例如所有量子比特共振时，低频1/f噪声会被快速相干运动有效抑制，而白噪声影响更显著。最后，文章指出该方法具备良好可扩展性：可将大系统划分为多个中等规模模块，分别评估各模块的信息泄露，从而更全面刻画大型量子器件中的噪声效应，为未来量子计算与模拟的硬件优化和性能基准测试提供了新路径。