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Measurement-and Feedback-Driven Non-Equilibrium Phase Transitions on a Quantum Processor

研究人员利用具有高保真度中途测量和低延迟反馈功能的超导量子处理器，实验性地证明了两种截然不同的非平衡相变共存：即单个量子轨迹中的测量诱导纠缠相变，以及属于定向渗流普适类中的平均量子通道吸收态相变。

原作者： Zhiyi Wu, Xuandong Sun, Songlei Wang, Jiawei Zhang, Xiaohan Yang, Ji Chu, Jingjing Niu, Youpeng Zhong, Xiao Chen, Zhi-Cheng Yang, Dapeng Yu

发布于 2026-07-02

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CC BY 4.0

原作者： Zhiyi Wu, Xuandong Sun, Songlei Wang, Jiawei Zhang, Xiaohan Yang, Ji Chu, Jingjing Niu, Youpeng Zhong, Xiao Chen, Zhi-Cheng Yang, Dapeng Yu

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你拥有一个巨大的、复杂的舞池，里面有30名舞者（即量子比特）。在量子物理的世界里，这些舞者处于叠加态中——它们本质上是“同时出现在所有地方”的，并手拉手形成了一个巨大的、无形的连接网络，这被称为纠缠（entanglement）。

这篇论文描述了一项实验，研究人员构建了一个特殊的量子计算机，用来观察当开始用两种特定的动作来干扰这场舞蹈时，这个舞池会如何表现：检查舞者（测量）以及根据你所看到的情况告诉他们下一步该做什么（反馈）。

以下是研究结果的拆解，使用了简单的类比：

设置：一个有规则的舞池

研究人员创建了一个电路，让舞者按照模式移动（幺正门），然后，在随机的时间间隔，一名“裁判”会检查特定的舞者。

检查（测量）： 裁判观察一名舞者是站着的（状态 |1⟩）还是坐下的（状态 |0⟩）。
反馈： 如果裁判看到一名舞者站着，他们会立即告诉该舞者坐下（进行修正）。如果舞者已经坐下了，则不采取任何行动。

这个“坐下”规则的目标是最终让所有人坐下。研究人员想看看，如果改变裁判检查舞者的频率，会发生什么。

舞蹈的两种不同“相位”

论文揭示了，根据裁判检查的频率，舞池会进入两种截然不同的状态。

1. “活跃”相位（低检查率）

如果裁判检查得非常频繁（比如每10步检查一次），舞者们就会继续自由地移动。即使裁判让一些人坐下，群体动力学（纠缠）也会保持高能量。那些“站立”的舞者会像波浪一样在舞池上扩散。系统保持活跃且充满混沌。

2. “吸收”相位（高检查率）

如果裁判检查得非常频繁（比如每步都检查），反馈循环就会过于强烈。每当有一名舞者站起来，他们就会立即被迫坐下。“站立”的能量被粉碎了。最终，整个舞池会变得寂静，所有人都坐了下来。这被称为吸收态（absorbing state），因为一旦所有人都坐下了，系统就会“卡”在那里，无法再站起来。

重大发现：两个不同的临界点

最令人兴奋的部分是，研究人员发现存在两个不同的临界点，即行为发生变化的转折点。这不仅仅是一个开关；而是两个在不同时间发生的开关。

开关 A：纠缠开关（“沉默”转变）
- 发生了什么： 在较低的检查率（约20%）时，舞者们停止了手拉手。那张巨大的量子连接网（纠缠）破碎了。舞者们变成了孤立的个体。
- 类比： 想象舞者们仍在移动，但他们停止了手拉手。他们仍在跳舞，但不再是一个统一的、相互连接的整体。
- 结果： 系统首先失去了其“量子特性”（纠缠）。
开关 B：吸收开关（“坐下”转变）
- 发生了什么： 在更高的检查率（约35%）时，系统终于迫使所有人完全坐下。
- 类比： 这是当裁判变得极其严格，以至于舞池完全静止的时候。
- 结果： 系统进入了没有任何人站立的“吸收态”。

为什么这很重要： 在这项实验之前，科学家们认为这两件事可能会同时发生。这篇论文证明了它们是截然不同的。舞者在被迫完全停止移动（吸收态）之前，就已经先失去了他们的连接（纠缠）。

“定向渗透”的联系

当研究人员仔细观察处于“活跃”相位和“吸收”相位之间的临界点时，他们发现舞者的分布呈现出一种非常特定、可预测的模式。

类比： 想象一场火灾在森林中蔓延。如果树木的间距恰到好处，火灾会以一种特定的、数学化的方式蔓延。
发现： “站立”的舞者扩散的方式符合一个著名的数学模型，称为定向渗透（Directed Percolation, DP）。这是一个描述事物如何在许多不同系统中传播的通用规则，从流行病到液晶。研究人员测量了这种扩散的“速度”，发现它完美符合 DP 的预测。

硬件：一个超快的裁判

为了完成这项工作，研究人员必须构建一个极其快速且精确的量子处理器。

问题： 通常情况下，检查一个量子状态并告诉它该做什么需要很长时间，在反馈到达之前，脆弱的量子态就会坍缩或因误差而损坏。
解决方案： 他们构建了一个可以在仅 200 纳秒（比眨眼还快）内检查舞者并发出指令的处理器。他们还实现了 98.7% 的读取状态准确率。这种速度和准确性使他们能够让“舞蹈”持续足够长的时间，从而清晰地观察到这些转变。

总结

简而言之，研究人员使用了一个快速、高质量的量子计算机，模拟了一个舞者不断被观察和纠正的舞池。他们发现：

舞者在较低的检查频率下失去量子连接（纠缠）。
舞者在较高的检查频率下完全停止移动（吸收态）。
向“停止移动”状态的转变遵循一个通用的数学规则（定向渗透），该规则描述了自然界中事物的传播方式。

这证明了自适应量子电路（根据测量结果改变电路的电路）是探索非平衡态下复杂系统行为的强大工具。

技术摘要：量子处理器上的测量与反馈驱动非平衡相变

问题陈述
量子线路模型为探索包括纠缠增长和流体动力学在内的非平衡多体动力学提供了一个框架。虽然幺正演化已被广泛研究，但中途测量（mid-circuit measurements）和实时反馈（real-time feedback）的集成——这对于量子纠错至关重要——引入了全新的动态现象。理论上，自适应线路可以表现出两种截然不同的非平衡相变：

测量诱导纠缠相变 (MIPT)： 随着测量率 $p$ 的增加，单个量子轨迹的纠缠结构从体型律（volume-law）向面积律（area-law）转变。
吸收态相变 (Absorbing-State Transitions)： 在平均量子通道中，当测量率高于临界值时，系统被驱动进入一个目标“吸收”态（例如，所有比特处于 $|0\rangle$ 态）。该过程由定向渗流（directed percolation, DP）普适类描述。

在单一现实设备上同时解析这两种相变具有挑战性。这不仅需要大量比特来抑制有限尺寸效应、高保真度门，更关键的是需要低延迟的实时测量与反馈操作以保持相干动力学。此前关于耗散驱动相变的观察缺乏主动的经典反馈。

方法论
作者开发了一种超导量子处理器和一种自适应线路架构来解决这些挑战：

硬件平台： 使用了包含 66 个超导比特的量子处理器，其中 3 选择了 30 个频率可调的 Transmon 比特用于吸收态实验，另 8 个比特用于纠缠相变实验。该设备具有全局中途测量功能，平均量子非破坏（QND）保真度为 98.7%，实时决策延迟为 200 ns。
线路架构： 实验采用了一种混合线路，由交替的近邻两比特幺正层（通过带有随机相位旋转的类 iSWAP 纠缠器实现）和中途测量组成。
自适应反馈协议：
- 吸收态实验： 一个经典标志变量 $f_i$ 用于追踪每个比特的状态（活跃/非活跃）。如果测量结果为 $|1\rangle$ ，则应用一个校正 Pauli-X 门将比特重置为 $|0\rangle$ 。只有当键（bond）中至少有一个比特处于活跃状态时，才会应用幺正门。这产生了一种幺正扩散与测量驱动重置之间的竞争。
- 纠缠实验： 通过 8 比特的缩减实现允许进行完整的轨迹后选择。通过量子态断层扫描（QST）重建缩减密度矩阵，以计算第二 Rényi 熵。
误差缓解： 对于纠缠研究，采用了两步程序来校正读取误差（使用校准矩阵）和残余基线熵（估计在 $p=1$ 时）。

核心贡献与结果
本研究成功证明了在同一硬件平台上两种相变共存，并具有不同的临界点：

吸收态相变（30 比特系统）：
- 从单个种子态 $|0\dots010\dots0\rangle$ 开始，系统在低测量率（ $p < p_{c}^{abs}$ ）下表现出活跃相，粒子呈弹道式扩散；在吸收相（ $p > p_{c}^{abs}$ ）下，粒子密度迅速消失。
- 临界点确定为 $p_{c}^{abs} \approx 0.35$ 。
- 临界指数： 在临界点处，粒子密度的衰减/增长遵循符合定向渗流（DP）普适类的代数定标。
  - 对于单种子初始态，动力学指数为 $z = 1.58$ （定标关系为 $|r| \sim t^{1/z}$ ）。
  - 生长指数为 $\Theta = 0.31$ （ $N(t) \sim t^\Theta$ ）。
  - 对于全占据初始态 $|11\dots1\rangle$ ，衰减指数为 $\alpha = -0.16$ （ $N(t) \sim t^\alpha$ ）。
- 这些实验指数与理论预测的 1D DP 高度一致。
测量诱导纠缠相变（8 比特系统）：
- 通过分析随机线路实例和轨迹中第二 Rényi 熵的方差 $\text{Var}(S_A^{(2)})$ ，作者定位了纠缠相变。
- 该相变发生在临界测量率 $p_{c}^{MIPT} \approx 0.20$ 处，此时方差达到峰值。
- 在该速率以下，系统保持体型律纠缠；在该速率以上，系统转变为面积律纠缠。
相变的分离：
- 一个关键发现是两个临界点之间存在明显的间隔： $p_{c}^{MIPT} \approx 0.20 < p_{c}^{abs} \approx 0.35$ 。
- 这表明量子相关性的丧失（纠缠抑制）发生在比宏观向吸收态转变更低的测量率下。这证实了这些是不同物理现象的理论建议。

意义与主张
本文声称自适应量子线路为探索非平衡量子多体动力学提供了强大的平台。具体而言：

它首次在量子设备上直接实验观测到了纠缠相变与吸收态相变之间的分离。
它验证了超导处理器中测量与反馈驱动的定向渗流（DP）普适类。
该工作确立了测量反馈动力学作为控制量子信息流的资源，这对于主动量子纠错和自适应量子算法至关重要。
作者指出，虽然精确的临界点数值取决于特定的门集和有限尺寸效应，但相变的定性分离是稳健的。未来向更大规模和更高维度的扩展可能会揭示量子信息与统计力学界面处的新普适类。