【儀表網 研發快訊】在最近的一項研究中，國科大卡弗里理論科學研究所的黃飚研究組和浙江大學王浩華、郭秋江研究組展示了用離散時間晶體保護 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 態的方法。這一“貓疤痕態”時間晶體按需設計了薛定諤貓型量子多體疤痕本征態來保護脆弱的GHZ態。這使得全局糾纏的GHZ 態壽命是未受保護的情況下的三倍，并且長于用通常的自旋回波(spin-echo)保護的GHZ態。該實驗遵循了早期的理論藍圖 [Biao Huang, Physical Review B 108, 104309 (2023)] ，于2024年 10 月 12 日發表在 [Z. Bao, et. al., Nature Communications 15, 8233 (2024)] 上。
GHZ 態是著名的“薛定諤的貓”在量子比特平臺上的對應實現。它由兩個宏觀上不同的量子比特激發態組成，并且每對量子比特之間都存在最大糾纏。這些態在量子計算和量子信息處理中起著至關重要的作用。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更多的 GHZ 態。此前，世界紀錄是 2023 年離子阱所實現的 32比特GHZ態。而在生成之后，進一步長時間保護大尺寸 GHZ態的實驗則迄今都少有人探索。
在目前的這一實驗中，超導比特平臺生成了創紀錄的60比特GHZ 態，幾乎是之前記錄的兩倍。基于量子器件的改進，研究人員朝著更具挑戰性的目標邁進，即在長時間驅動下保護 GHZ 狀態。這將更接近于這些量子態的最終應用場景。實驗中，保護 GHZ 狀態的策略是將其嵌入一種奇異的非平衡量子物質，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以容納和保護GHZ態免受干擾。
時間晶體的概念最初由諾貝爾獎獲得者Frant Wilczek于 2012 年提出。他將朗道自發對稱性破壞的概念從通常的空間/內部自由度推廣到時間維度。DTC 是一個相互作用系統，以周期 T 驅動，但無論擾動如何，都表現出穩健的次諧波響應，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 由兩個驅動步驟組成。首先，系統經歷單量子比特翻轉脈沖，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，系統經歷 Ising 類型的雙量子比特相互作用，以此抑制內部退局域化和演化方面的干擾。兩個驅動步驟共同使得DTC具有長程糾纏的貓本征態，以保護GHZ態的宏觀相干性免受外部和內部擾動。此外，為了實現此處的特定目的，研究者們將DTC升級為特殊的“貓疤痕態DTC”。這一時間晶體允許人們解析地定量計算稀有的貓態本征態(稱為貓疤痕態)的品質(如局域化、能譜性質)，以有效匹配和保護GHZ態。此外，這一時間晶體允許系統只包含一種類型、空間平移不變的兩比特門陣列，但可以實現任意非均勻比特位形的貓疤痕態。這樣的升級提高了對GHZ保護的確定性和資源使用效率，最終使GHZ狀態保護方案在實驗中顯示出明顯的優勢，甚至使實驗得以在演化過程中無縫切換對不同GHZ態的保護。
這一實驗結果可能的影響可以從兩個方面來看待。從技術上講，DTC方案中使用了Ising相互作用來保護GHZ態，這可以使其免受任意的內部擾動。這對比通常無法消除兩比特擾動的自旋回波(spin echo)方案有了明顯的區別。從物理上講，對GHZ態的宏觀相干相位的動力學觀測，尤其是看到它長時間的倍頻周期震蕩，構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本征態，并證實它們成對出現、準能量差為π。這一現象被稱為“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(浙江大學物理學院)、郭秋江研究員(浙江大學杭州國際科創中心)實驗團隊合作完成。實驗方面，作者包括包澤杭(共同一作，浙江大學博士生)、徐世波(共同一作，浙江大學博士生)以及浙江大學超導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、國家自然科學基金、浙江省科技廳、浙江省自然科學基金和新基石科學基金會探索獎的支持。
利用貓疤痕態時間晶體成對出現的長程糾纏本征態來給薛定諤的貓(GHZ量子態)存盤，并誘導量子態進行2T周期相位震蕩
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