数字化对角驱动的量子临界动力学

这对未来量子机器有何意义

随着量子计算机规模的扩大，它们有望在化学、材料学和优化等难题上发挥作用。但存在一个难点：当一个量子系统在脆弱的相变附近被驱动得过快时，系统容易“踩空”，留下损害最终结果的缺陷。本文表明，一种巧妙的控制技术——称为对角（counterdiabatic）驱动——即使在系统被快速推动时，也能显著减少这些缺陷，为在当前有噪声的量子处理器上获得更好结果提供了实用方法。

穿越脆弱的量子临界点

许多物理系统，从固体中的磁体到早期宇宙，都会经历出现有序性的相变。在这些临界点附近，系统难以跟上外界变化。如果你过快地扫过控制参数，不同区域会失去同步并形成由拓扑缺陷分隔的畴——标志有序性方向变化的拐点或涡旋。在这些相变的量子版本中，这种行为由量子基布尔–祖雷克机制（quantum Kibble–Zurek mechanism）描述，它预测缺陷密度随延长扫速时间仅缓慢下降。对于现实的量子计算机，操作必须在噪声占主导前完成，因此单纯减慢速度并非可行选项。

用额外之手引导系统

作者没有依赖缓慢演化，而是采用一系列被称为绝热捷径（shortcuts to adiabaticity）的思想。具体而言，他们实现了对角驱动：在量子哈密顿量中加入一个额外的、精心设计的项来抵消快速扫过时产生的不希望的激发。当这个辅助控制项选择得当时，系统可以沿着无限慢演化所走的路径前进，但所需时间大大缩短。由于真实硬件无法实现任意相互作用，团队采用了该额外项的近似局域版本，并将其构造为可在超导量子芯片上编译为门操作。

在大型量子处理器上检验该想法

研究者研究了量子磁学中的常用模型——横场伊辛模型（transverse-field Ising model），该模型经历从无序的顺磁相到有序的铁磁相的相变。他们在 IBM 的云量子处理器上以数字方式实现了该模型，规模高达156个量子比特，并将量子比特布置成多种几何结构：长的一维链、阶梯、方形网格以及 IBM 原生的重六边形布局。对于每种情况，他们快速地将系统扫过相变，分别在有无对角项的情况下进行，然后统计最终自旋模式中出现的拐点数量。除平均缺陷数外，他们还考察了完整分布的行为，包括方差和偏度，以探测底层动力学。

即便快速移动也更少缺陷

实验显示，在快速扫过的区域——通常基布尔–祖雷克标度失效且缺陷密度趋于高平台值——对角驱动能大幅降低该平台值。在100比特的一维链中，平均缺陷密度相比标准的数字化退火几乎减半。在二维布局中也出现了类似但依几何结构而异的下降，这类布局的经典模拟很困难。对于非常快速的扫过，未受控的系统几乎保持初始态不变，而对角协议仍能将其推向有序相，产生更少的畴壁。测得的趋势与一维的精确计算以及更高维度的先进矩阵积态模拟（matrix-product-state simulations）密切一致，至少在硬件噪声开始占主导之前如此。

这对量子技术意味着什么

简言之，该研究表明：如果加入恰当的引导力，你可以快速地驱动量子系统穿过脆弱的相变，同时仍然得到一个更干净、更有序的最终态。这使得对角协议成为量子优化和态制备的有前景工具——在这些任务中，额外的缺陷会直接导致错误或低质量的结果。通过在大型、当前代处理器上以及在超出直接经典模拟能力的情形中验证这些想法，这项工作为朝着更可靠的量子器件迈出实用一步，便于探索新材料并解决复杂的计算任务。

引用: Visuri, AM., Gomez Cadavid, A., Bhargava, B.A. et al. Digitized counterdiabatic quantum critical dynamics. npj Quantum Inf 12, 47 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01208-z

关键词: 量子相变, 对角驱动, 量子退火, 拓扑缺陷, 超导量子比特