中科院物理所最新Nature
2026-02-04
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iNature
依赖于时间的驱动有希望实现非平衡多体现象，这在非驱动系统中是不存在的。然而，驱动感应加热通常会使系统不稳定，这可以通过使用周期性(Floquet)驱动在高频状态下进行参数抑制。高度可控的量子模拟器能在多大程度上抑制非周期性驱动系统中的发热，这在很大程度上仍是未知的。
2026年1月28日，中国科学院物理研究所范桁、许凯、相忠诚、北京大学赵宏政共同通讯在Nature在线发表题为“Prethermalization by random multipolar driving on a 78-qubit processor”的研究论文。该研究在一台78比特超导处理器上系统地实验研究了由n-RMD协议驱动的二维相互作用系统的非平衡动力学。
其精确和稳定的脉冲序列允许证明长寿命的预热平台和受抑制的加热速率，这显示了在高频区的特征代数标度T2n+1。这些特征足够普遍，因为它们一般应该出现在具有一般初始状态的局域相互作用系统中，并且不局限于当前的设置。在避免加热的同时驱动具有时间随机性的封闭量子系统的可能性，为超越传统Floquet范式的物质非平衡相工程铺平了道路。
周期性驱动(Floquet)系统可能会出现热平衡中不存在的远离平衡的现象。突出的例子包括离散时间晶体、Floquet拓扑物质和动态相变。周期驱动也被广泛用于多体相互作用的Floquet工程和减轻环境诱导的退相干，作为稳定和控制现代量子模拟器的一种强大和通用的方法。近年来，对非周期驱动的探索激增，对非平衡现象的丰富发现超出了Floquet知识。例如，准周期和结构化随机驱动可以导致离散时间准晶体和时间朗道晶体的出现，显著地丰富了非平衡环境中时间顺序的可能形式。
由于缺乏能量守恒，一般的与时间有关的多体系统固有地对加热敏感，最终以无特征的无限温度状态结束，此时，子系统纠缠熵也达到最大值——页值。因此，这种热效应对利用大规模量子模拟器和稳定受欢迎的相位提出了根本性的挑战，特别是在长时间尺度上。在Floquet系统中，加热可以通过有效的强空间无序诱导的多体定位来抑制。然而，在清洁系统中，通过使用高频驱动，加热也可以被指数抑制，在最终热死之前导致短暂但长期的预热状态。相比之下，稳定非周期性驱动系统是一项众所周知的困难任务，尤其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，即使多体定位也无法防止，因此加热会迅速发生。
量子处理器和实验方案（图源自Nature）
在这里，使用78位超导量子处理器庄子2.0，研究人员报告了在具有可调加热速率的多体系统中长寿命预加热阶段的实验观察，该多体系统由结构化随机协议驱动，以n-多极时间相关性为特征。通过测量粒子不平衡和子系统纠缠熵，监测了超过1000个驱动循环的整个加热过程，并观察到预加热平台的存在。
预热寿命是“双重可调的”:一种方式是通过驱动频率，另一种方式是通过多极秩序；它随频率代数增长，具有2n + 1的通用标度指数。在不同的子系统上使用量子态层析成像，演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交叉。在二维配置中有78个量子位和137个耦合器，整个远离平衡的加热动力学超出了使用张量网络数值技术模拟的范围。该工作强调了超导量子处理器是一个强大的平台，用于探索经典模拟面临巨大挑战的机制中驱动系统中物质的普遍标度律和非平衡相。
