◎洪恒飛 周 煒 吳瑤瑤 本報記者 江 耘

此次，浙大研究團隊首次嚐試了“全數字化量子模擬”的實驗方案。該方案在26量子比特的超導量子芯片上

，通過操作高達240層深度的量子門，實現合作者的構思。相比於“類比量子模擬”
，“全數字化量子模擬”的通用性更強

，具有更高的編程靈活度和量子門精度
，能夠執行更多種類的量子算法。

食鹽

、礦(kuang)石(shi)等(deng)人(ren)們(men)日(ri)常(chang)熟(shu)悉(xi)的(de)一(yi)般(ban)晶(jing)體(ti)，構(gou)成(cheng)它(ta)們(men)的(de)原(yuan)子(zi)在(zai)空(kong)間(jian)排(pai)列(lie)上(shang)呈(cheng)現(xian)周(zhou)期(qi)性(xing)變(bian)化(hua)的(de)規(gui)律(lv)。而(er)時(shi)間(jian)晶(jing)體(ti)
，也(ye)就(jiu)是(shi)一(yi)種(zhong)四(si)維(wei)以(yi)上(shang)的(de)空(kong)間(jian)晶(jing)體(ti)
，其(qi)特(te)征(zheng)在(zai)時(shi)間(jian)上(shang)也(ye)呈(cheng)現(xian)出(chu)周(zhou)期(qi)性(xing)變(bian)化(hua)的(de)規(gui)律(lv)。

近日，《自然》雜誌發表了由浙江大學（以下簡稱浙大）物理學院王震、王wang浩hao華hua研yan究jiu組zu與yu清qing華hua大da學xue交jiao叉cha信xin息xi研yan究jiu院yuan鄧deng東dong靈ling研yan究jiu組zu等deng合he作zuo的de研yan究jiu成cheng果guo。科ke研yan人ren員yuan在zai超chao導dao量liang子zi芯xin片pian上shang首shou次ci采cai用yong全quan數shu字zi化hua量liang子zi模mo擬ni方fang式shi
，實shi現xian了le“拓撲時間晶體”這種全新的物質狀態。

在研究中，研究人員成功觀測到了“拓撲時間晶體”的邊緣因拓撲保護而呈現出離散時間晶體的行為，即浮球（Floquet）對稱保護拓撲相。在超導量子芯片上使用數字化量子模擬的方法
，有望被用於探索更多的物理學前沿問題。

在尋找時間晶體過程中另辟蹊徑

聯(lian)合(he)團(tuan)隊(dui)繪(hui)製(zhi)的(de)數(shu)字(zi)量(liang)子(zi)模(mo)擬(ni)拓(tuo)撲(pu)時(shi)間(jian)晶(jing)體(ti)概(gai)念(nian)圖(tu)顯(xian)示(shi)，超(chao)導(dao)量(liang)子(zi)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)就(jiu)像(xiang)一(yi)個(ge)多(duo)姿(zi)多(duo)彩(cai)的(de)量(liang)子(zi)世(shi)界(jie)。科(ke)學(xue)家(jia)們(men)在(zai)這(zhe)個(ge)量(liang)子(zi)世(shi)界(jie)中(zhong)構(gou)建(jian)“拓撲時間晶體”。“拓撲時間晶體”規則排布的晶體代表保護拓撲的對稱性
，旋轉的指針代表時間維度
，中間不斷流出的數字則代表數字模擬……

在理論方麵
，關於時間晶體，有科學家曾提出離散時間晶體的概念，並提出了在一類非平衡態係統——量子多體局域化係統中創造時間晶體的理論模型；而在實驗方麵
，近年來，有研究團隊分別在離子阱平台、金剛石色心平台和核磁共振量子平台等多個平台上實現了“離散時間晶體”。

時間晶體的特殊之處在於
，它的周期性重複是自然且穩定的“基態”，即物質處於能量最低時的狀態。浙大物理學院研究員王震解釋說：“時間晶體並不需要像鍾表運行那樣消耗能量，其‘天性’類似於頻閃或者呼吸
，是周期性變化的。”

liangnianqian

，qinghuadaxuejiaoshoudengdonglingkaishigousiyizhongxindeshijianjingti
，jichangshijiangtuopudegainianyinrushijianjingti。tongguoyuzhedachaodaoliangzijisuantuanduihezuo，tachangshizaichaodaoliangzixinpianshangchuangzaozheleiquanxindeshijianjingti。“常規的時間晶體已經在一些實驗平台中實現，而我們想嚐試別人沒有做過的。”王震說。

聯合團隊基於浙大杭州國際科創中心量子計算創新工坊發布的“天目1號”超導量子芯片開展實驗。該芯片依托於浙江大學微納加工中心製作，其平均比特相幹時間突破100微(wei)秒(miao)，達(da)到(dao)了(le)國(guo)際(ji)先(xian)進(jin)水(shui)平(ping)。該(gai)芯(xin)片(pian)采(cai)用(yong)較(jiao)易(yi)擴(kuo)展(zhan)的(de)近(jin)鄰(lin)連(lian)通(tong)架(jia)構(gou)
，具(ju)備(bei)更(geng)高(gao)的(de)編(bian)程(cheng)靈(ling)活(huo)度(du)，以(yi)便(bian)執(zhi)行(xing)更(geng)多(duo)種(zhong)類(lei)的(de)量(liang)子(zi)算(suan)法(fa)，具(ju)有(you)更(geng)加(jia)廣(guang)闊(kuo)的(de)研(yan)究(jiu)前(qian)景(jing)。

打磨出“全數字化模擬”利器

近年來，在解決經典計算機無法勝任的複雜問題方麵
，量子計算顯示出越來越強大的能力。科學家們認為，為了研究出適用範圍廣闊的“通用型量子計算”
，首先要實現研究特定的、專門的現象和問題“專門型量子計算”。

據王震介紹，量子計算是通過在量子比特上執行邏輯操作的計算，也就是通過量子門實現的計算。不同的量子門組合成不同的算法“積木”
，用於搭建科學家心目中的“建築”。在此次合作研究中
，理論物理學者們承擔著建築師的角色，設計 “積木”的組合方式。而浙大研究團隊，則負責打造通用性更高的量子“積木”
，為“建築”的建成提供原材料。

論文共同第一作者
、清華大學交叉信息研究院博士生蔣文傑說：“一般來講，模擬量子多體物質的演化過程需要許多複雜的量子‘積木’


，我們根據模型的物理特性，提出了一種用最少的‘積木’造房子的方法。”

“當要解決具體的問題時，隻需要調用組合不同的‘積木’，而不需要更換芯片。”論文共同第一作者、浙大物理學院博士生張敘認為
，數字化量子模擬是一條通往通用量子計算的必經之路。

此次，浙大研究團隊首次嚐試了“全數字化量子模擬”的實驗方案。該方案在26量子比特的超導量子芯片上，通過操作高達240層深度的量子門
，實現合作者的構思。相比於“類比量子模擬”，“全數字化量子模擬”的通用性更強，具有更高的編程靈活度和量子門精度，能夠執行更多種類的量子算法。

“從理論上講，數字化模擬可以適用於許多物理係統的研究
，而不限於某個係統。” 蔣文傑表示。

周期性呼應的首尾部鏈狀晶體

通過全數字化量子模擬，聯合團隊首次成功模擬了一個由26個“準粒子”組(zu)成(cheng)的(de)鏈(lian)狀(zhuang)拓(tuo)撲(pu)時(shi)間(jian)晶(jing)體(ti)。在(zai)退(tui)相(xiang)幹(gan)時(shi)間(jian)內(nei)，處(chu)於(yu)邊(bian)緣(yuan)的(de)量(liang)子(zi)比(bi)特(te)自(zi)旋(xuan)隨(sui)驅(qu)動(dong)周(zhou)期(qi)性(xing)而(er)關(guan)聯(lian)響(xiang)應(ying)。這(zhe)種(zhong)響(xiang)應(ying)對(dui)初(chu)始(shi)狀(zhuang)態(tai)完(wan)全(quan)不(bu)敏(min)感(gan)

，呈(cheng)現(xian)了(le)受(shou)拓(tuo)撲(pu)保(bao)護(hu)的(de)魯(lu)棒(bang)性(xing)
，即(ji)對(dui)特(te)性(xing)或(huo)參(can)數(shu)攝(she)動(dong)的(de)不(bu)敏(min)感(gan)性(xing)。通(tong)過(guo)調(tiao)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)擾(rao)動(dong)
，實(shi)驗(yan)成(cheng)功(gong)刻(ke)畫(hua)了(le)該(gai)拓(tuo)撲(pu)相(xiang)與(yu)平(ping)庸(yong)熱(re)化(hua)相(xiang)的(de)邊(bian)界(jie)。

聯合團隊繪製了26個量子比特組成的鏈狀拓撲時間晶體演化圖，以便解釋該現象。首尾兩個“粒子”的自旋是長程糾纏的

，它們會同時翻轉並保持很長時間。在不同的時刻來看，中間的“粒子”沒有穩定的關聯
，而首尾的“粒子”都會出現同時翻轉和同時還原的現象，其周期為係統驅動的兩倍。這種拓撲的性質，來源於對稱性的保護。

張敘對拓撲時間晶體的演化過程做了生動的比喻：“就(jiu)像(xiang)一(yi)排(pai)小(xiao)朋(peng)友(you)聽(ting)著(zhe)耳(er)機(ji)轉(zhuan)圈(quan)圈(quan)，每(mei)個(ge)小(xiao)朋(peng)友(you)除(chu)了(le)要(yao)根(gen)據(ju)自(zi)己(ji)聽(ting)到(dao)的(de)音(yin)樂(le)節(jie)奏(zou)轉(zhuan)圈(quan)圈(quan)，還(hai)要(yao)三(san)三(san)兩(liang)兩(liang)地(di)合(he)作(zuo)完(wan)成(cheng)雜(za)技(ji)動(dong)作(zuo)。這(zhe)些(xie)特(te)別(bie)設(she)計(ji)的(de)雜(za)技(ji)動(dong)作(zuo)具(ju)有(you)拓(tuo)撲(pu)性(xing)質(zhi)
，能(neng)通(tong)過(guo)量(liang)子(zi)效(xiao)應(ying)將(jiang)首(shou)尾(wei)兩(liang)個(ge)小(xiao)朋(peng)友(you)的(de)舞(wu)蹈(dao)‘糾纏’起來。即使音樂的節奏變了，仍可以觀察到一頭一尾兩個小朋友之間存在穩定的‘默契’，也就是周期性地呈現某種呼應的現象。”

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)認(ren)為(wei)，這(zhe)次(ci)拓(tuo)撲(pu)時(shi)間(jian)晶(jing)體(ti)的(de)成(cheng)功(gong)模(mo)擬(ni)
，證(zheng)明(ming)在(zai)超(chao)導(dao)量(liang)子(zi)芯(xin)片(pian)上(shang)使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)化(hua)量(liang)子(zi)模(mo)擬(ni)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)，將(jiang)啟(qi)發(fa)人(ren)們(men)在(zai)超(chao)導(dao)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)平(ping)台(tai)探(tan)索(suo)更(geng)多(duo)的(de)新(xin)物(wu)質(zhi)和(he)新(xin)現(xian)象(xiang)。下一步
，研究團隊將繼續拓展量子芯片的規模和性能
，以模擬性質更新
、尺度更廣、物理內涵更豐富的量子問題，為量子算法的發展和應用提供基礎性的平台。