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06-21
科技日报 此次，浙江大学研究团队首次尝试“全数字量子模拟”实验方案。
该解决方案通过在 26 量子位超导量子芯片上操作高达层深度的量子门来实现合作者的想法。
与“模拟量子模拟”相比，“全数字量子模拟”的通用性更强，具有更高的编程灵活性和量子门精度，可以执行更多类型的量子算法。
人们日常所熟悉的常见晶体，例如盐和矿物质，组成它们的原子的空间排列会发生周期性变化。
时间晶体是四维以上的空间晶体，其特性也表现出时间的周期性变化。
近日，《自然》杂志发表了浙江大学（以下简称浙江大学）物理学院王震、王浩华课题组与中科院邓冬玲课题组合作的研究成果。
清华大学交叉学科信息.科研人员首次在超导量子芯片上采用全数字量子模拟方法，实现了一种名为“拓扑时间晶体”的新物质状态。
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而呈现出离散时间晶体的行为，即浮球（Floquet）对称性保护的拓扑相。
在超导量子芯片上使用数字量子模拟的方法有望用于探索更多物理学前沿问题。
采用新方法寻找时间晶体。
联合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多彩的量子世界。
科学家们在这个量子世界中构建了“拓扑时间晶体”。
“拓扑时间晶体”规则排列的晶体代表拓扑的对称性，旋转的指针代表时间维度，中间不断流出的数字代表数字模拟……理论上，关于时间晶体，有科学家提出提出了离散时间晶体的概念，并提出了在一种非平衡系统——量子多体局域系统中创建时间晶体的理论模型；在实验方面，近年来，一些研究团队在离子阱平台和钻石色心上进行了实验。
“离散时间晶体”已在核磁共振量子平台、核磁共振量子平台等多个平台上实现。
时间晶体的特别之处在于，它的周期性重复是一种自然且稳定的“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震解释道：“时间晶体不需要像时钟那样消耗能量，它们的‘性质’类似于频闪或呼吸，周期性变化。
”两年前，清华大学教授邓冬菱开始构思一种新型时间晶体，试图将拓扑概念引入到时间晶体中。
他与浙江大学超导量子计算团队合作，尝试在超导量子芯片上打造这种新型时间晶体。
“传统的时间晶体已经在一些实验平台上实现，我们想尝试一些其他人没有做过的事情。
”王震说道。
联合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”超导量子芯片进行实验。
该芯片由浙江大学微纳加工中心生产。
其平均比特相干时间超过微秒级，达到国际先进水平。
该芯片采用易于扩展的最近邻连接架构，具有更高的编程灵活性，可以执行更多类型的量子算法，具有更广阔的研究前景。
打磨“全数字模拟”利器 近年来，量子计算在解决经典计算机无法解决的复杂问题方面展现出越来越强大的能力。
科学家认为，要发展具有广泛应用的“通用量子计算”，首先要实现研究具体、专门的现象和问题的“专用量子计算”。
王震介绍，量子计算是对量子比特进行逻辑运算的计算，即通过量子门实现的计算。
不同的量子门被组合成不同的算法“积木”，用来搭建科学家心目中的“大楼”。
在这项合作研究中，理论物理学家扮演建筑师的角色，设计如何组合“构建块”。
浙江大学研究团队负责打造更加通用的量子“积木”，为建造“建筑物”提供原材料。
论文共同第一作者、清华大学交叉信息研究院博士生蒋文杰表示：“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，我们提出了一种用最少的积木建造房子的方法，“当你想解决一个特定的问题时，只需要组合不同的‘积木’，而不需要改变芯片。
”论文共同第一作者、浙江大学物理学院博士生张旭认为，数字量子模拟是通用量子计算的唯一途径，此次浙江大学研究团队尝试了“全面量子计算”。
首次提出“数字量子模拟”实验方案。
该方案通过在26量子位超导量子芯片上运行高达层深度的量子门，实现了合作者的想法。
与“模拟量子模拟”相比，“全数字量子模拟”更通用性强，具有更高的编程灵活性和量子门精度，可以执行更多类型的量子算法。
“理论上，数字仿真可以应用于许多物理系统的研究，而不仅限于某个系统。
”蒋文杰说道。
链状晶体，在开头和结尾处具有周期性回声。
通过全数字化量子模拟，联合团队首次成功模拟出由26个“准粒子”组成的链状拓扑时间晶体。
在退相干时间内，边缘处的量子位自旋与驱动周期相关地响应。
该响应对初始状态完全不敏感，并表现出拓扑保护的鲁棒性，即对特征或参数扰动不敏感。
通过调节系统的扰动，实验成功地表征了该拓扑相与平庸热相之间的边界。
联合团队绘制了由26个量子比特组成的链式拓扑时间晶体演化图来解释这一现象。
第一个和最后一个“粒子”的自旋是长程纠缠的，它们同时翻转并在那里停留很长时间。
从不同时刻来看，中间的“粒子”没有稳定的关系，而开头和结尾的“粒子”会同时翻转和还原，其周期是系统驱动器的两倍。
这种拓扑的本质来自于对称性的保护。
张旭对拓扑时间晶体的演化做了一个形象的比喻：“就像一排孩子一边听耳机一边转圈。
除了按照听到的音乐节奏转圈之外，每个孩子还必须三三两两地配合完成杂技动作。
。
这些特殊设计的杂技动作具有拓扑性质，可以通过量子效应将两个孩子的舞蹈在开头和结尾“纠缠”在一起。
即使音乐的节奏发生了变化，最后两个孩子之间仍然可以看到稳定的关系。
“默契”，即周期性地出现某种回声现象。
“研究团队认为，这次对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，将为人们在超导量子计算平台上探索更多新物质、新现象带来启发。
下一步，该研究将在团队将不断拓展量子芯片的规模和性能，以更新的性质、更广泛的尺度、更丰富的物理内涵来模拟量子问题，为量子算法的开发和应用提供基础平台。
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