近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所赵宏政研究员课题组与合作者在非平衡物相及量子模拟领域取得重要进展。研究团队利用二维78比特超导量子芯片作为量子模拟器，通过可控随机驱动实现长时间稳定存在的预热化现象，并观测到热化时间的普适标度率。2026年1月28日，相关成果以“基于随机多极驱动的78量子比特处理器的预热化”（Prethermalization by Random Multipolar Driving on a 78-Qubit Processor）为题，在线发表于《自然》（Nature） 上。Top of Form

如何理解和研究量子多体系统，如由多电子、原子或分子构成的复杂体系，是现代物理学面临的重大挑战。对于处于热平衡的系统，其宏观性质通常可以借助平衡态统计物理加以描述。然而，真实的物理体系往往远离热平衡状态。因此，揭示量子多体系统中复杂而丰富的非平衡动力学行为，已成为当代物理研究的重要前沿方向。与此同时，实现对非平衡量子多体系统在时间和空间上的精确操控，也是量子模拟器和量子计算等新一代量子技术持续发展的关键基础。近年来，外加驱动的量子多体系统成为研究热点，成为调控量子物态的重要手段。然而，随着演化推进，驱动多体系统会不断吸热升温，最终失去所有精妙的量子效应，严重限制了大规模量子器件的应用。

在本工作中，研究团队提出并实验验证了一种全新的解决思路：通过精心设计驱动的时间结构，可以显著减缓量子系统的加热过程。他们发现，即使驱动方式看似随机，只要其内部频谱结构设计合理，量子系统依然可以在远离平衡态的情况下保持长时间稳定。实验基于一台包含78个量子比特和137个耦合器的超导量子处理器，“庄子二号”，如图1所示。研究人员实现了上千次驱动周期，并观察到一个持续存在的“预热化”阶段，在这一阶段中，系统能量吸收极慢，能够维持高度有序的量子状态。实验结果还验证了此前的理论预言：这种稳定状态的持续时间遵循普适的物理规律（图2），而不依赖于系统的精细调节。

具体的，团队实现了一类称为随机多极驱动的结构化随机驱动方案（图1b,c）。从初始的密度波态（图1d）出发，演化算符的随机切换会破坏系统稳定性，从而引发吸热升温。值得注意的是，当引入时间偶极子结构后（图1b），随机驱动谱被重塑：其低频占比减小，因此其对应的吸热通道被显著抑制。                                                                                         

为了刻画加热过程，团队执行了超过1000个驱动周期的长时间演化并测量粒子数不平衡度的衰减（图2a）以及纠缠熵的增长情况（图3a），从而突破了以往驱动体系实验中主要局限于局域物理量演化的研究范式。团队在高频驱动下清晰观测到了持续时间极长的预热化平台。此外，实验明确验证了时间上的多极子结构在抑制吸热时的关键作用：系统的热化时间随驱动频率呈现幂律延长，其标度指数符合理论预言（图2b，c)。  

值得强调的是，量子系统吸热过程会导致纠缠熵的快速增长，团队也在预热化阶段观测到了纠缠标度从面积律向体积律的跨越（图3）。因此，给定现有的经典计算资源，传统数值模拟方法难以对此热化过程进行精确有效的刻画。团队成员开发的GroupMPS、PEPS等先进的张量网络技术以及神经网络算法，都难以跟上纠缠熵的迅速增长。因此，此实验体现出量子模拟在研究非平衡多体系统演化问题上的独特优势。

此项工作首次在实验上展现了随机多极驱动所导致的吸热速率的可调标度率，以及纠缠标度从面积律向体积律的连续跨越。近年来，赵宏政课题组与合作者在非平衡动力学领域已取得一系列进展与突破，包括率先在国际上提出随机多极驱动以及吸热速率标度率[Phys.Rev.Lett.126,040601(2021)],自适应调节算法抑制吸热方案[PRX Quantum 4, 030319(2023),Phys.Rev.Lett.133,010603(2024)],驱动系统中对称性涌现与阶梯式破缺[Phys.Rev.X 14,041070(2024)]，以及时间回旋晶体的提出与实验实现[Phys.Rev.B 108,L100203(2023),Nat.Phys.21,1813(2025)]等。这些工作为非平衡多体问题的研究提供了宝贵的经验，系统性地将量子调控的手段从周期性驱动拓展至非周期调控，极大丰富了新奇非平衡物相的存在形式。此工作进一步展示了可控量子模拟平台在此类研究中相较于经典计算机的优势，为未来构建更大规模、高保真度的量子模拟以及量子计算平台打下坚实基础，具有重要的科学价值和应用前景。

中国科学院物理研究所的博士生刘政和、刘宇、梁珪涵、邓承林为共同第一作者，北京大学物理学院赵宏政研究员、中国科学院物理研究所相忠诚、许凯以及范桁研究员为共同通讯作者，其他作者包括中国科学院理论物理研究所博士生陈柯扬、张潘研究员，以及来自德国马克斯-普朗克复杂系统物理研究所、慕尼黑工业大学以及英国伦敦帝国理工学院的国际合作者等。研究工作得到了国家自然科学基金、国家科技重大专项等基金支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09977-x