78量子比特处理器上的“伪热化”现象

随时间变化的驱动有望实现非受驱系统中不存在的非平衡多体现象，但驱动诱导的加热通常会使系统失稳，不过在高频 regime可通过周期性（Floquet）驱动抑制这种加热。然而，高度可控的量子模拟器在非周期性驱动系统中抑制加热的程度尚不明确。

本研究利用78量子比特超导量子处理器“庄子2.0”，报告了在具有可调加热速率的多体系统中，通过具有n-多极时间关联的结构化随机协议驱动下长寿命预热相的实验观测。通过测量粒子失衡和子系统纠缠熵，研究人员监测了超过1000个驱动周期的整个加热过程，并观察到预热平台的存在。预热寿命具有“双重可调性”：一种是通过驱动频率，另一种是通过多极阶数；它随频率呈代数增长，普适标度指数为2n+1。通过对不同子系统进行量子态层析，研究展示了非均匀的空间纠缠分布，并观察到从面积律到体积律纠缠标度的转变。由于该系统是具有78个量子比特和137个耦合器的二维结构，整个远离平衡的加热动力学超出了张量网络数值技术的模拟能力。

周期性驱动（Floquet）系统可以呈现热平衡中不存在的远离平衡现象，如离散时间晶体、Floquet拓扑物质和动力学相变等。周期性驱动也被广泛用于多体相互作用的Floquet工程和减轻环境引起的退相干，是稳定和控制现代量子模拟器的稳健方法。近年来，非周期性驱动的探索激增，发现了Floquet理论之外的丰富非平衡现象，如准周期和结构化随机驱动可导致离散时间准晶体和时间 rondeau 晶体等。

由于缺乏能量守恒，一般的含时多体系统本质上容易加热，最终会达到无特征的无限温度状态，此时子系统纠缠熵也达到最大值（Page值）。这种加热效应给利用大规模量子模拟器和稳定所需物相带来了根本挑战，尤其是在长时间尺度上。在Floquet系统中，可通过强空间无序诱导的多体局域化抑制加热；而在干净系统中，高频驱动可指数级抑制加热，在最终热寂前形成短暂但长寿命的预热态。相比之下，稳定非周期性驱动系统非常困难，特别是当驱动协议涉及时间随机性时，这通常会打开有害的能量吸收通道，即使多体局域化也无法阻止，导致快速加热。

本实验在由随机但结构化协议驱动的量子模拟器上展示了长寿命、双重可调的预热态，加热速率具有普适的可调性。“庄子2.0”处理器包含78个量子比特和137个耦合器，研究人员利用其精确控制和灵活性，实现了稳定的长期驱动，并对二维硬核玻色-哈伯德系统进行了大规模模拟。

研究实施了一系列结构化随机协议，即随机多极驱动（RMD）。该协议涉及两个基本演化算子Ũ+和Ũ-，由沿y轴的位点势不同的两个哈密顿量Ĥ±生成。从初始密度波状态开始，Ũ±的随机调制使系统失稳并诱导加热。通过在随机驱动序列中引入偶极结构（基本单元为Ũ+Ũ-和Ũ-Ũ+），可显著抑制加热速率。类似地，n阶多极可通过将两个（n-1）阶算子反排列递归构建，在n→∞极限下收敛到自相似的Thue-Morse驱动。

研究首先在8个量子比特上进行基准测试，然后逐渐将系统规模扩大到78个量子比特。为量化加热过程，实验监测了粒子失衡的衰减，并测量了纠缠熵的演化，观察到加热过程中其增长的不同阶段。研究进行了超过1000个驱动周期，如此长的时间尺度得以捕捉高频 regime的长寿命预热平台。实验还验证了时间多极关联在稳定系统中的关键作用：加热速率与驱动频率呈幂律关系，普适标度指数约为2n+1，与RMD加热过程的理论分析一致。

通过选择不同的子系统配置，研究展示了非均匀的空间纠缠分布，并在预热态中观察到从面积律到体积律纠缠标度的转变。加热的开始进一步加速了纠缠增长，先进的张量网络数值技术（如分组矩阵乘积态GMPS和投影纠缠对态PEPS）难以跟上这种快速纠缠增长。因此，实验观察到的具有可控加热速率的预热化以及朝向最大纠缠无限温度状态的整个加热动力学，在现有计算资源下难以经典模拟。

“庄子2.0”处理器为探索驱动系统中的普适标度律和非平衡物质相提供了强大平台，而这些领域正是经典模拟面临巨大挑战的地方。