我国科学家在超导量子芯片研究中取得重大突破 量子计算模拟能力实现新跨越

问题——如何在可控条件下理解并调控高度复杂的量子动力学过程,是量子信息与凝聚态物理长期关注的核心议题。

与经典体系相比,多体量子系统具有指数级增长的状态空间,实验现象往往呈现强烈的非直觉性。

特别是在外界驱动或噪声存在时,系统从有序到热化的演化路径复杂多变,经典计算手段难以在可验证尺度上给出精确预测,限制了人们对量子热化、非平衡相与可控调制规律的系统认识。

原因——研究团队此次在“庄子2.0”开展实验,直指“量子体系为何会在热化前出现稳定阶段、这种阶段能否被人为调节”这一关键科学问题。

实验观察到的预热化平台,表现为系统在完全热化前进入相对稳定的停驻区间,其持续性与可重复性提示:预热化并非短暂过渡,而可能是量子多体动力学中具有普遍意义的阶段性规律。

更重要的是,团队在随机驱动条件下实现了可调预热化的系统性研究,突破了以往主要围绕周期或准周期驱动展开的探索框架,为刻画“随机驱动—能量吸收—热化速率”之间的关系提供了新的实验抓手。

影响——从科学层面看,此次结果为理解非平衡量子系统的“热化前窗口期”提供了直接证据,并将“可控性”引入预热化研究,使其从现象描述走向机制识别与参数调节。

预热化平台的发现及其规律的提炼,有望与时间晶体、多体局域化等前沿方向形成交叉:一方面,外驱动条件下的稳定结构可能为探索新的非平衡相提供线索;另一方面,对热化路径的精细操控将帮助研究者在更长时间尺度上保持量子态特征,为模拟复杂材料行为、研究量子相变与动力学临界现象创造条件。

对工程与应用而言,量子芯片在模拟复杂系统上的优势得到进一步展示,意味着在特定问题上,量子平台或可更高效地“再现演化、验证规律”,从而补足经典计算在大规模、长时间动力学模拟中的瓶颈。

对策——成果的取得并非简单依赖比特数量增加,而是方案设计、测控技术、芯片规模与性能协同提升的结果,体现了从芯片制备、器件一致性、读出与操控到误差抑制的全流程系统性攻关。

面向后续发展,需继续在两条主线上发力:其一,围绕可扩展架构提升芯片规模与连通能力,推动多种比特耦合结构的验证与迭代;其二,在高精度操控与测量方面持续优化,提升可重复性与可信度,并与理论与数值研究形成闭环验证机制,使实验结果不仅“看得见”,更要“说得清、可检验、可复现”。

同时,推动量子模拟任务与现实科学问题对接,在材料、化学、统计物理等方向选择可量化、可对照的指标,构建面向实用化的评价体系。

前景——研究团队表示将研制百比特以上更大规模超导量子芯片,探索更复杂的量子系统问题并力争展现“可验证的实用化量子优势”。

从国际竞速态势看,量子计算正从“堆规模”转向“重性能、重可验证”的阶段,谁能在可控噪声环境下稳定运行、并在具有科学或工程价值的任务上给出明确优势,谁就更可能率先实现从实验室能力到可用工具的跨越。

此次在随机驱动下实现可调预热化的系统性研究,为未来开展更复杂的非平衡量子模拟提供了可复制的技术路径,也为“量子—经典”协同发展提供了新的切入点:经典数值与理论可围绕量子实验给出可检验预测,量子平台则在更大参数空间内快速扫描并反哺理论完善,形成良性循环。

量子计算的发展是一场长期的科技竞赛,需要在基础理论、芯片设计、工程实现等多个环节取得突破。

中国科学院物理研究所的这项研究成果,不仅深化了我们对量子系统动力学的理解,更重要的是为量子计算的实用化应用铺设了坚实的基础。

从78比特到百比特,从基础研究到应用验证,我国量子科技工作者正在一步步将科幻变为现实,为抢占全球量子计算竞争的制高点而不懈努力。