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想象一下，你有一个由 78 名舞者（即量子比特）组成的巨大且混乱的舞池，他们以网格形式手拉手站立。通常情况下，如果你开始播放随机变化的音乐，舞者们最终会变得异常兴奋和混乱，从而失去控制，忘记最初的队形，最终变成一群混乱、无特征的热闹人群。在物理学中，我们称之为“加热”到“无限温度”状态。这是秩序永远丧失的终极派对崩溃。
通常，科学家们试图通过播放完美的、重复循环的音乐（比如节拍器）来阻止这种混乱。但如果音乐不是完美的循环呢？如果它是随机的呢？长期以来，科学家们一直认为随机音乐总会导致快速的崩溃。
重大发现
本论文报告了一项使用名为“庄子 2.0”（以古代中国哲学家命名）的超强量子计算机进行的实验，该实验发现了一种即使在随机音乐下也能让舞者长时间保持有序的方法。他们发现了一个“预热”（prethermal）相——这是一个长期的、稳定的平台期，系统在此期间保持冷却和有序，直到最终才发生加热。
秘诀：“多极化”驱动
研究人员不仅仅是播放随机的音符；他们播放的是具有特定隐藏结构的随机音符。他们称之为随机多极化驱动（RMD）。
可以这样理解：
- 普通随机（单极子）： 想象一位 DJ 在向播放列表投掷飞镖。音乐是混乱的，舞者们会立即感到困惑。
- 偶极子（第 1 级）： DJ 开始将随机歌曲进行配对。每当一首快歌播放时，紧接着就会播放一首慢歌，从而抵消掉能量。舞者们会摇晃，但不会倒下。
- 四极子（第 2 级）： DJ 变得更加聪明。他们将歌曲分组为三联或四联，创造出一种复杂的节奏，在这种节奏中，混乱被更好地相互抵消。
分组的复杂程度越高（即“多极阶数”越高），舞者保持有序的时间就越长。论文表明，通过增加音乐的速度（频率）和这些分组的复杂性，他们可以将系统的“热寂”推迟 1,000 多个周期。
“双旋钮”控制
最令人兴奋的部分是，研究人员发现他们有两个“旋钮”来控制派对持续的时间：
- 速度： 音乐变化的快慢。
- 复杂度： 将多少首歌组合在一起以抵消混乱。
他们发现了一个普遍规律：如果你将分组的复杂度增加一倍，系统崩溃前的时长就会显著增加。这就像是发现了一个神奇的公式：你的节奏越复杂，你的系统生存得就越久。
观察纠缠
在量子物理学中，“纠缠”就像是舞者之间的一种秘密心灵感应。随着系统升温，这些连接会扩散到到处，将每个人与每个人都连接起来。
- 研究人员使用一种特殊的相机（量子态层析成像）来观察这些连接的形成。
- 他们看到起初，这些连接仅在邻居之间形成（就像一个小圈子的朋友）。
- 随着时间的推移，这些连接扩散到了整个房间（整个网格）。
- 至关重要的是，他们观察到这些连接的扩散并不是均匀的。有些部分保持着波浪式的、振荡的连接模式，而另一些部分则趋于稳定。这种“非均匀”行为是一个新的发现，有助于我们理解量子系统在二维空间中的行为。
为什么经典计算机无法做到这一点
研究人员尝试使用先进的数学方法（张量网络）在超级计算机上模拟这场舞蹈。
- 问题在于： 随着舞者变得更加纠缠，描述他们的数学计算量呈指数级增长。这就像是在尝试写下一段舞蹈的指令，而每个舞者都与其它所有人相连；这份指令清单会变得比宇宙还要长。
- 结果： 超级计算机只能模拟舞蹈的前几秒，然后就会耗尽内存并崩溃。
- 胜利： 量子处理器（庄子 2.0）没有崩溃。它完成了完整的 1,000 多个周期。这证明了对于某些复杂的、混沌的量子问题，量子计算机显然比我们现有的任何经典计算机都要好。
总结
这篇论文表明，通过使用一种巧妙的、有结构的随机形式，科学家可以使一个大型量子系统长时间保持稳定，防止其因加热而丢失信息。他们在 78 量子比特芯片上证明了这一点，观察了内部连接（纠缠）是如何增长的，并证明了这项特定的量子任务对于即使是世界上最强大的超级计算机来说也太难进行模拟了。这是我们在理解如何控制远离平衡态的量子系统方面迈出的重要一步。
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