随时间变化的驱动有望实现无驱动系统中不存在的非平衡多体现象。然而，驱动诱导的加热通常会使系统失稳，这种失稳可在高频区通过周期性（Floquet）驱动进行参数化抑制。目前，高度可控的量子模拟器在非周期性驱动系统中能在多大程度上抑制加热仍在很大程度上未知。
1月29日，中国科学院物理研究所、中国科学院理论物理研究所、北京量子院、西北大学、华南理工大学、合肥国家实验室、松山湖材料实验室、北京大学、帝国理工学院、慕尼黑工业大学等组成的研究团队在《Nature》期刊上发表题为“Prethermalization by random multipolar driving on a 78-qubit processor”（通过随机多极驱动在78量子比特处理器上的预热处理）的研究论文，刘政和、刘宇、梁珪涵、邓承林为论文共同第一作者，相忠诚、许凯、赵宏政、范桁为论文共同通讯作者。
本研究利用78量子比特的超导量子处理器“庄子2.0”，报道了在结构化随机协议驱动、具有n-多极时间关联的多体系统中，对具有可调加热率的长寿命预热相的实验观测。
通过测量粒子失衡度和子系统纠缠熵，研究人员在1000个驱动周期内监测了整个加热过程，并观测到预热平台的存在。预热寿命具有“双重可调性”：一种方式是通过驱动频率，另一种方式是通过多极阶数。它随频率呈代数增长，具有普适标度指数2n+1。通过在不同子系统上进行量子态层析，研究人员证实了非均匀的空间纠缠分布，并观测到纠缠标度从面积律到体积律的转变。
由于该系统采用二维构型，包含78个比特和137个耦合器，其整个远离平衡的加热动力学超出了张量网络数值技术的模拟能力。该研究凸显了超导量子处理器作为强大平台的作用，可用于在经典模拟面临巨大挑战的体系中，探索驱动系统的普适标度律和物质的非平衡相。
论文共同通讯作者范桁表示，这项研究不仅首次在量子模拟器上实现了对超越周期驱动的预热化过程的主动调控，也为未来设计更优的量子纠错方案、延长量子比特的相干时间提供了新思路。它验证了量子模拟器在解决特定复杂问题上的独特优势，推动了量子计算与经典计算在竞争中相互促进。
研究背景
早在多年前，科研人员就发现，周期性驱动（即Floquet驱动）可以在一定程度上抑制加热效应，让系统进入一个相对稳定的预热区域。在这个区域内，系统的物理性质不会随时间快速变化，为观测非平衡现象提供了窗口。但周期性驱动的局限性也很明显，它能实现的驱动模式相对单一，无法满足探索更丰富非平衡物相的需求。
随着研究深入，非周期驱动逐渐成为新的探索方向，其中结构化随机驱动因为能催生离散时间准晶体、时间回旋晶体等新奇物相，备受关注。但随机驱动的致命缺陷在于，它会打开大量能量吸收通道，即便是多体局域化效应也无法阻止系统快速加热。此前的相关研究只能在极小的量子系统中开展，且观测到的预热态寿命极短，难以开展系统性研究。
基于此，如何在大规模量子系统中实现非周期驱动，同时有效抑制加热效应，成为突破非平衡量子动力学研究瓶颈的关键。
随机多极驱动
本次实验的硬件，是由中国科研团队自主研发的超导量子处理器“庄子2.0”。这款处理器采用6×13的二维方形晶格架构，包含78个量子比特和137个耦合器，相邻量子比特间都能实现精准耦合。
同时，它具备卓越的相干性能，平均弛豫时间（T₁）达到26.4微秒，这表明，系统可以在较长时间内保持量子特性，为开展长时间驱动实验奠定了基础。
实验的创新点在于采用了随机多极驱动（RMD）协议。这是一种结构化的随机驱动方式，区别于无规则的随机驱动，RMD通过递归构造不同阶数的多极算子序列，精准抑制驱动中的低频分量——而低频分量正是导致系统快速加热的源头。
具体来说，RMD的基本单元是两个演化算子，它们对应着两种不同的格点势场。通过将低阶算子反平行排列，就能构造出更高阶的多极算子。当算子阶数趋于无穷大时，这个序列还会收敛到具有自相似特性的Thue-Morse驱动序列。
图：量子处理器和实验方案
实验流程非常清晰且严谨。第一步是系统初始化，研究团队将“庄子2.0”的所有量子比特制备成密度波有序态，此时量子系统的粒子分布呈现出明显的规律性，为后续观测加热过程提供了清晰的起点。
第二步是施加驱动，根据实验需求调整驱动周期（3纳秒至8纳秒）和多极序阶数，对系统开展超过1000个驱动周期的连续调控。
第三步是测量与表征，研究团队选取了两个关键物理量来监测系统演化：一是粒子失衡度，用来衡量系统偏离初始有序态的程度；二是子系统纠缠熵，用来表征系统内量子关联的强弱。
为了精准获取纠缠熵数据，研究团队还采用了量子态层析技术，通过对不同子系统进行完备测量，重构出量子态的密度矩阵，进而计算出纠缠熵的演化曲线。
此外，实验过程中还针对Z脉冲失真、量子比特串扰等问题开展了精细校准，并借助Floquet工程实现了精准的时序对准，确保了随机多极驱动的高精度执行。
关键发现
基于“庄子2.0”，研究团队获得了一系列突破性的实验结果。
（一）首次观测到大规模系统的长寿命预热平台
研究团队首先在8量子比特的小系统中开展基准实验，验证了随机多极驱动的有效性。
实验结果显示，无论是子系统纠缠熵还是粒子失衡度，都呈现出三阶段的演化规律：初始阶段，纠缠熵快速增长、粒子失衡度快速衰减；随后系统进入一个长时间的稳定平台期，这就是预热相。在这个阶段，系统的能量吸收被显著抑制，物理性质趋于稳定；经过一段较长的时间后，系统才会缓慢偏离平台，最终趋于无限温态。
图：在8量子比特系统中RMD预热
关键的是，驱动频率对预热平台的寿命影响显著。当驱动周期从8纳秒缩短至4纳秒（即频率提高一倍）时，预热平台的寿命从0.25微秒延长至1.03微秒，粒子失衡度的衰减特征时间也从1.2微秒延长至7.4微秒。
这一结果直接证明，提高驱动频率可以有效抑制加热效应，延长预热态的寿命。
（二）实现预热寿命的“双重可调”，验证普适标度律
在8量子比特系统的基础上，研究团队将系统规模拓展至78量子比特，进一步验证了随机多极驱动的调控能力。
研究发现，预热态的寿命具有双重可调性。第一重调控来自驱动频率，频率越高，预热寿命越长；第二重调控来自随机多极驱动的多极序阶数n，阶数越高，预热寿命也越长。
通过对实验数据的分析，研究团队还验证了预热寿命的普适标度律。在高频驱动区域，预热寿命与驱动频率的倒数呈幂律关系，幂律指数约为2n+1，这与此前的理论预测高度吻合。而且，这种标度律在不同规模、不同几何构型的量子系统中都成立，充分证明了其普适性。
图：预热寿命随驱动频率的尺度行为
对比传统的周期性驱动系统，随机多极驱动的优势极其明显。周期性驱动系统的预热寿命随频率呈指数增长，而随机多极驱动通过调节多极序阶数，能实现更灵活、更高效的寿命调控，为精准操控非平衡量子系统提供了新途径。
（三）观测到非均匀纠缠分布与面积律-体积律交叉
纠缠是量子系统的核心特性，也是衡量量子动力学演化的重要标尺。在这项实验中，研究团队通过选取不同空间构型的子系统开展测量，发现了一个现象，二维量子系统中的纠缠分布并非均匀的。
比如沿x轴排列的子系统，其纠缠熵在预热阶段呈现出明显的振荡行为，而沿y轴排列或呈方形的子系统，纠缠熵则快速趋于稳定。这种非均匀分布源于系统中相干的粒子交换过程，是二维量子系统的独特特征。
同时，研究团队观测到了纠缠熵从面积律到体积律的交叉转变。在演化初期，系统的纠缠熵满足面积律，即纠缠熵的大小与子系统的表面积成正比，这是局域量子系统的典型特征。随着时间推移，当系统接近预热-加热转变的临界点时，纠缠熵逐渐过渡到体积律，即与子系统的体积成正比。这一转变标志着系统的量子关联从局域拓展到全域，是加热效应开始主导系统演化的明确信号。
图：纠缠动力学与体积定律尺度
这种复杂的纠缠演化动力学，即使是目前最先进的经典张量网络数值方法也无法精准模拟。无论是分组矩阵积态（GMPS）还是投影纠缠对态（PEPS），在模拟超过一定时间后，都会与实验结果出现显著偏差。这一事实证明，“庄子2.0”处理器在模拟复杂非平衡量子动力学方面，已经超越了经典计算的极限。
成果与展望
本研究基于78量子比特超导量子处理器，系统开展了n阶随机多极驱动调控下二维相互作用系统的非平衡动力学实验研究，不仅实现了实验技术的突破，更在物理层面揭示了非平衡量子系统的核心规律，其成果的科学价值和应用前景不容忽视。
从科学层面来看，本研究的关键发现具有里程碑意义。其一，首次在大规模二维量子系统中实现了非周期随机驱动下的长寿命预热相，打破了此前小系统研究的局限，为探索非平衡物相提供了稳定的实验平台；其二，验证了预热寿命随驱动频率和多极序阶数的普适标度律，为精准调控非平衡量子系统提供了理论依据；其三，观测到非均匀空间纠缠分布和面积律-体积律交叉，揭示了二维量子系统中纠缠演化的微观机制，加深了人类对量子关联的理解。
从技术层面来看，本研究充分展现了超导量子处理器的强大能力。“庄子2.0”不仅具备大规模量子比特的操控能力，还拥有出色的相干性能，能够支持超过1000个驱动周期的长时间实验。这标志着我国在超导量子计算领域的硬件研发和实验操控方面，已经达到了世界领先水平。
未来，研究人员还可以朝着探究加热过程对初始态的依赖特性与空间非均匀性、研究随机驱动系统中多体局域化与反常拓扑物相的稳定性、探索更广泛非周期驱动的预热机制等方向努力。
尽管本实验基于超导量子处理器开展，但加热调控的核心物理机制可推广至其他量子模拟器平台，为稳定目标非平衡物相提供通用方案。
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09977-x