全数字量子模拟手在量子芯片上“构建”时间晶体

此次，浙大研究团队首次尝试了“全数字量子模拟”的实验方案。在这个方案中，在一个具有26个量子位的超导量子芯片上，合作者的想法是通过操作高达240层深的量子门来实现的。与“模拟量子模拟”相比，“全数字量子模拟”更加通用，具有更高的编程灵活性和量子门精度，可以执行更多种类的量子算法。

人们日常所熟悉的盐、矿石等普通晶体，其原子的空间排列是有周期性变化的。时间晶体，也就是一种四维以上的空间晶体，它的特点是随时间周期性变化。

近日，《自然》杂志刊登了浙江大学(以下简称浙大)王镇、王浩华课题组与清华大学交叉信息研究院邓东玲课题组合作的研究成果。研究人员首次在超导量子芯片上采用全数字量子模拟方法，实现了“拓扑时间晶体”这种新的物质状态。

在研究中，研究人员成功观察到“拓扑时间晶体”的边缘由于拓扑保护表现出离散时间晶体的行为，即Floquet对称保护拓扑相。在超导量子芯片上使用数字量子模拟，有望用于探索更多物理学前沿问题。

在寻找时间晶体过程中另辟蹊径

团队绘制的数字量子模拟拓扑时间晶体概念图显示，超导量子芯片内部就像一个五彩缤纷的量子世界。科学家在这个量子世界中构建“拓扑时间晶体”。“拓扑时间晶体”规则排列的晶体代表保护拓扑的对称性，旋转的指针代表时间维度，中间连续流动的数字代表数字仿真.

在理论上，有科学家提出了离散时间晶体的概念，提出了在一类非平衡系统3354量子多体定域系统中创造时间晶体的理论模型。实验方面，近年来有研究团队在离子阱平台、钻石色心平台、核磁共振量子平台等几个平台上实现了“离散时间晶体”。

时间晶体的特殊之处在于，它的周期性重复是一种自然稳定的“基态”，即物质处于最低能量时的状态。浙江大学物理学院研究员王镇解释说：“时间晶体不需要像发条一样消耗能量，它们的‘性质’类似于频闪或呼吸，周期性变化。”

两年前，清华大学邓东岭教授开始构思一种新的时间晶体，即试图将拓扑学的概念引入时间晶体。通过与浙江大学超导量子计算团队合作，他试图在超导量子芯片上创造出这种全新的时间晶体。“常规的时间晶体已经在一些实验平台中实现了，我们想尝试一下别人没有做过的事情。”王镇说。

团队基于浙江大学杭州国际科技创新中心量子计算创新工场发布的“天目一号”超导量子芯片联合进行实验。该芯片由浙江大学微纳加工中心制造，平均比特相干时间超过100微秒，达到国际先进水平。该芯片采用易于扩展的邻居连接架构，具有更高的编程灵活性，可以执行更多种类的量子算法，具有更广阔的研究前景。

打磨出“全数字化模拟”利器

近年来，量子计算在解决经典计算机做不到的复杂问题上越来越显示出强大的能力。科学家认为，要发展应用范围广泛的“普适量子计算”，必须首先实现“特殊量子计算”，以研究特定的、专门的现象和问题。

根据王镇的说法，量子计算是通过对量子位进行逻辑运算进行的计算，即通过量子门进行的计算。不同的量子门组合成不同的算法“积木”，用来建造科学家心目中的“大楼”。在这项合作研究中，理论物理学家承担建筑师的角色，设计“积木”的组合。浙江大学的研究团队负责创造更多用途的量子“积木”，并为“建筑”的完成提供原材料。

论文的共同第一作者、清华大学交叉信息研究所博士生姜文杰说，“一般来说，模拟量子多体物质的演化过程需要许多复杂的量子‘积木’。根据模型的物理特性，我们提出了用最少的‘积木’建造房子的方法。”

“在解决一个具体问题时，只需要调用不同组合的‘积木’，而不需要更换芯片。”论文的共同第一作者、浙江大学物理学院博士生张旭认为，数字量子模拟是通往通用量子计算的必由之路。

此次，浙大研究团队首次尝试了“全数字量子模拟”的实验方案。在这个方案中，在一个26量子位的超导量子芯片上，合作者的想法是通过操作深度高达240层的量子门来实现的。与“模拟量子模拟”相比，“全数字量子模拟”更加通用，具有更高的编程灵活性和量子门精度，可以执行更多种类的量子算法。

“从理论上讲，数字仿真可以应用于许多物理系统的研究，而不局限于一个系统。”姜文杰说。

周期性呼应的首尾部链状晶体

通过全数字量子模拟，联合团队首次成功模拟出由26个“准粒子”组成的链式拓扑时间晶体。在退相干时间，量子比特在边缘的自旋与驱动周期相关。这种响应对初始状态完全不敏感，表现出由拓扑保护的鲁棒性，即，对特征或参数扰动不敏感。通过调节系统的扰动，成功地刻画了拓扑相和普通热相之间的界限。

为了解释这一现象，团队联合绘制了由26个量子比特组成的链式拓扑时间晶体演化图。第一个和第二个“粒子”的自旋在很远的距离上纠缠在一起，它们会同时翻转并保持很长时间。在不同的时间，中间的“粒子”没有稳定的关系，而开头和结尾的“粒子”都同时翻转和减少，周期是系统驱动的两倍。这种拓扑的本质来自于对对称性的保护。

张旭对拓扑时间晶体的演化过程做了一个生动的比喻：“就像一排孩子围着耳机听，每个孩子都要根据听到的音乐节奏转圈，还要相互配合，三三两两地完成杂技动作。这些特别设计的杂技具有拓扑性质，可以通过量子效应‘纠缠’第一个和第二个孩子的舞蹈。即使音乐的节奏发生了变化，仍然可以观察到两个孩子在最后有一种稳定的‘默契’，也就是某种周期性呼应的现象。”

研究团队认为，这种拓扑时间晶体的成功模拟证明了在超导量子芯片上使用数字量子模拟的可行性，并将启发人们在超导量子计算平台上探索更多新的物质和现象。下一步，研究团队将继续拓展量子芯片的规模和性能，模拟性质更新、尺度更宽、物理内涵更丰富的量子问题，为量子算法的开发和应用提供基础平台。