Many-Body Localization Induced by Correlated Disorder in Interacting Superconducting Qubits

量子记忆大挑战

想象一个嘈杂的房间，每个人都在聊天。如果你向身边的人低声诉说一个秘密，这个秘密会迅速传播。片刻之间，整个房间都知道了这个故事，而且没有人能记得是谁开始的，或者最初的耳语听起来是什么样的。在量子物理世界中，这被称为“热化”（thermalization）。这是孤立量子系统遵循的规则：它们会不断搅乱自身的信息，直到忘记过去并进入一种混沌、均匀的状态。这通常由一个名为“本征态热化假设”（ETH）的规则书来解释，该假设认为系统的局部部分最终会表现得像其自身的微型热浴，从而抹除任何关于初始状态的记忆。

但如果这个房间的设计使得秘密无法传播呢？如果墙壁是由一种特殊的材料制成的，能够将信息困在原地呢？这就是“多体定位”（Many-Body Localization, MBL）现象。在这种情况下，整个房间并不会得知秘密，而是听到秘密的那个人会永远保留它，混沌也无法接管全局。科学家们对这一点极度感兴趣，因为如果我们能建造出保持在这种“定位”状态下的量子计算机，它们或许就能在不被噪声或混沌搅乱的情况下，牢牢锁住脆弱的信息。通常，研究人员通过用完全随机、不可预测的噪声来“摇晃”系统来进行研究。但在现实世界中，没有任何事物是完全随机的；事物往往是相互连接或具有“相关性”的。这篇论文提出了一个重大问题：如果噪声是相关的——即呈现出一种模式而非纯粹的混沌——量子记忆是否依然能够保存，还是系统最终会屈服并忘却一切？

论文的发现：相关性混沌并不会破坏记忆

在这项研究中，Thiago R. Girão Souza 及其团队决定使用一种非常特定的量子硬件来测试这个想法：由“transmon 量子比特”构成的超导电路。可以将这些量子比特想象成芯片上微小的、人工合成的原子，它们可以通过调节来表现得像一串相互作用的磁铁链。研究人员想要观察当这些量子比特受到“相关无序”（correlated disorder）影响时会发生什么。用通俗的话说，这意味着影响量子比特的“噪声”或随机性不仅仅是一堆互不相关的静电干扰；它是一种模式，其中一个量子比特受到的扰动与其邻居的扰动是相互关联的，就像池塘中的涟漪会影响到与之相连区域的水流一样。

团队首先展示了如何直接在硬件中构建这种特定类型的相关噪声。通过调整电路的物理部分——例如每个量子比特电容器的大小和施加的磁场——他们可以设计出一种让随机性自然产生相关性的情况。随后，他们模拟了这些量子比特链的行为，以观察系统的“记忆”能否在相关性混沌中幸存下来。

他们的主要发现对于任何试图构建量子计算机的人来说都非常令人安心。他们发现“多体定位”相具有惊人的鲁棒性（稳健性）。即使在无序具有相关性且量子比特以复杂、非局域方式相互作用时，系统仍然能够锁住其信息。即便噪声具有某种模式，量子记忆也不会因此崩溃。研究人员发现，转换点——即系统从“记住一切”切换到“忘却一切”的时刻——与纯随机无序时的转换点几乎完全一致。

为了证明这一点，他们使用了两种不同的“侦探工具”。第一个工具观察“纠缠”（entanglement），这是一种衡量量子比特之间共享信息多少程度的高级方法。在混沌系统中，这种共享会像洪水一样扩散开来（体积律/volume-law），但在定位系统中，它会被限制在一定范围内（面积律/area-law）。他们发现，即使存在相关噪声，系统仍表现出定位的迹象。第二个工具是“记忆参数”。他们让系统以特定的模式开始（例如让前半部分的量子比特处于“开启”状态，后半部分处于“关闭”状态），并观察该模式随时间的变化。在定位相中，该模式保持完好，就像一张冻结的快照；而在混沌相中，模式会融化成一片均匀的模糊状态。

在多达 16 个量子比特系统上的模拟显示，“记忆”在相关无序面前依然保持强韧。当观察能量谱中间时，系统从记住到遗忘的临界点大约在 $\Delta\phi \approx 2.17$ 处；而当观察长期记忆动力学时，该点约为 $\Delta\phi \approx 1.82$。这些数字表明，噪声的“相关性”特征并没有让系统变得更加脆弱；事实上，定位相就像噪声完全随机时一样稳定。

这是一个重大意义，因为它意味着现实世界量子硬件中不可避免的缺陷和相关性可能并不是我们想象中的敌人。论文指出，我们不必担心这些复杂的、相互连接的无序模式会破坏我们保护量子信息的能力。相反，transmon 平台似乎天生就具备处理这种“混乱”现实的能力，即使在周围环境相关且复杂的情况下，也能让量子记忆得以存续。作者总结道，这种鲁棒性为设计更好的量子处理器提供了坚实的框架，表明我们可以通过调节这些设备，使其即使在伴随着领域内常见的复杂相关噪声时，也能保持在“记忆”区域内。