【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在最近的一項研究中，國科大卡弗里理論科學(xué)研究所的黃飚研究組和浙江大學(xué)王浩華、郭秋江研究組展示了用離散時間晶體保護(hù) Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 態(tài)的方法。這一“貓疤痕態(tài)”時間晶體按需設(shè)計了薛定諤貓型量子多體疤痕本征態(tài)來保護(hù)脆弱的GHZ態(tài)。這使得全局糾纏的GHZ 態(tài)壽命是未受保護(hù)的情況下的三倍，并且長于用通常的自旋回波(spin-echo)保護(hù)的GHZ態(tài)。該實驗遵循了早期的理論藍(lán)圖 [Biao Huang, Physical Review B 108, 104309 (2023)] ，于2024年 10 月 12 日發(fā)表在 [Z. Bao, et. al., Nature Communications 15, 8233 (2024)]  上。
 

　　GHZ 態(tài)是著名的“薛定諤的貓”在量子比特平臺上的對應(yīng)實現(xiàn)。它由兩個宏觀上不同的量子比特激發(fā)態(tài)組成，并且每對量子比特之間都存在最大糾纏。這些態(tài)在量子計算和量子信息處理中起著至關(guān)重要的作用。然而，它們極其脆弱，因為它們的相干性就像薛定諤的貓一樣，在任一組分受到擾動下都會被破壞。在過去的幾十年里，諸多量子平臺都做出了巨大努力來生成比特數(shù)更多的 GHZ 態(tài)。此前，世界紀(jì)錄是 2023 年離子阱所實現(xiàn)的 32比特GHZ態(tài)。而在生成之后，進(jìn)一步長時間保護(hù)大尺寸 GHZ態(tài)的實驗則迄今都少有人探索。
 

　　在目前的這一實驗中，超導(dǎo)比特平臺生成了創(chuàng)紀(jì)錄的60比特GHZ 態(tài)，幾乎是之前記錄的兩倍。基于量子器件的改進(jìn)，研究人員朝著更具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)邁進(jìn)，即在長時間驅(qū)動下保護(hù) GHZ 狀態(tài)。這將更接近于這些量子態(tài)的最終應(yīng)用場景。實驗中，保護(hù) GHZ 狀態(tài)的策略是將其嵌入一種奇異的非平衡量子物質(zhì)，稱為離散時間晶體(discrete time crystals, 簡稱DTC)。該時間晶體的能譜包含成對的貓疤痕本征態(tài)以容納和保護(hù)GHZ態(tài)免受干擾。
 

　　時間晶體的概念最初由諾貝爾獎獲得者Frant Wilczek于 2012 年提出。他將朗道自發(fā)對稱性破壞的概念從通常的空間/內(nèi)部自由度推廣到時間維度。DTC 是一個相互作用系統(tǒng)，以周期 T 驅(qū)動，但無論擾動如何，都表現(xiàn)出穩(wěn)健的次諧波響應(yīng)，即剛性周期為 2T，因此類似于時間方向上的“自旋密度波”。
 

　　在具體模型中，每個周期 T 中的 DTC 由兩個驅(qū)動步驟組成。首先，系統(tǒng)經(jīng)歷單量子比特翻轉(zhuǎn)脈沖，該脈沖作為回聲(echo)來消除外部退相位(dephasing)噪聲。然后，在第二步中，系統(tǒng)經(jīng)歷 Ising 類型的雙量子比特相互作用，以此抑制內(nèi)部退局域化和演化方面的干擾。兩個驅(qū)動步驟共同使得DTC具有長程糾纏的貓本征態(tài)，以保護(hù)GHZ態(tài)的宏觀相干性免受外部和內(nèi)部擾動。此外，為了實現(xiàn)此處的特定目的，研究者們將DTC升級為特殊的“貓疤痕態(tài)DTC”。這一時間晶體允許人們解析地定量計算稀有的貓態(tài)本征態(tài)(稱為貓疤痕態(tài))的品質(zhì)(如局域化、能譜性質(zhì))，以有效匹配和保護(hù)GHZ態(tài)。此外，這一時間晶體允許系統(tǒng)只包含一種類型、空間平移不變的兩比特門陣列，但可以實現(xiàn)任意非均勻比特位形的貓疤痕態(tài)。這樣的升級提高了對GHZ保護(hù)的確定性和資源使用效率，最終使GHZ狀態(tài)保護(hù)方案在實驗中顯示出明顯的優(yōu)勢，甚至使實驗得以在演化過程中無縫切換對不同GHZ態(tài)的保護(hù)。
 

　　這一實驗結(jié)果可能的影響可以從兩個方面來看待。從技術(shù)上講，DTC方案中使用了Ising相互作用來保護(hù)GHZ態(tài)，這可以使其免受任意的內(nèi)部擾動。這對比通常無法消除兩比特擾動的自旋回波(spin echo)方案有了明顯的區(qū)別。從物理上講，對GHZ態(tài)的宏觀相干相位的動力學(xué)觀測，尤其是看到它長時間的倍頻周期震蕩，構(gòu)成了一個強大的傳感方案，使得人們得以精確探測到單個貓態(tài)本征態(tài)，并證實它們成對出現(xiàn)、準(zhǔn)能量差為π。這一現(xiàn)象被稱為“能譜配對”，是自2016年DTC研究開始以來人們長期試圖觀測到的一個核心特征。
 

　　實驗由黃飚副教授(KITS)理論組與王浩華教授(浙江大學(xué)物理學(xué)院)、郭秋江研究員(浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心)實驗團隊合作完成。實驗方面，作者包括包澤杭(共同一作，浙江大學(xué)博士生)、徐世波(共同一作，浙江大學(xué)博士生)以及浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計算團隊其他成員；理論方面包括劉洋任(KITS博士生)。郭秋江、黃飚和王浩華為共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金、浙江省科技廳、浙江省自然科學(xué)基金和新基石科學(xué)基金會探索獎的支持。
 

　　利用貓疤痕態(tài)時間晶體成對出現(xiàn)的長程糾纏本征態(tài)來給薛定諤的貓(GHZ量子態(tài))存盤，并誘導(dǎo)量子態(tài)進(jìn)行2T周期相位震蕩