在我们发表于《科学》杂志的最新作品《通过工程耗散实现稳定的量子关联多体态》中，我们探讨了环境耗散的反直觉效应，这种效应通常被视为对量子计算有害。通过精心设计耗散，我们发现了一种新的可扩展协议，用于制备寿命比物理量子位更长的纠缠多体量子态。
量子计算机解决某些问题的速度比传统计算机快得多。然而，其构成块量子位的当前实现受到量子位与环境之间不受控制的相互作用引起的错误的困扰。此类相互作用会引起耗散，从而破坏量子纠缠（量子算法中的必要资源），并使量子处理器趋向于平凡的经典状态。这种退相干过程会引入错误，从而破坏量子处理器的效用。因此，环境耗散是当前一代量子处理器的主要限制因素。矛盾的是，虽然不受控制的耗散是当前量子处理器的祸根，但通过精心定制的环境创建的工程耗散实际上可以帮助量子处理器进入所需的纠缠态。
在我们发表于《科学》杂志的最新作品《通过工程耗散实现稳定的量子关联多体状态》中，我们探讨了工程耗散的这种违反直觉的效应。这种方法不仅提供了一种可靠的量子态制备方法，而且还自然地稳定了量子态，使其比没有耗散时存活的时间长得多。这些实验为改进在量子处理器中制备强关联态（例如可在磁铁中找到）的方法奠定了基础，这可以帮助物理学家在未来了解高温超导体等奇异的量子材料。
背景
在量子处理器运行算法或模拟之前，必须将其所有量子位初始化为已知状态。这个过程称为量子态准备，通常通过应用相干量子操作来完成 - 也就是说，它们不会引起任何耗散。在这项工作中，我们将量子位耦合到一个以正确方式定制的环境中，以便量子位通过耗散被引导到所需的状态。
为了说明其工作原理，我们可以看一个最简单的例子，其中利用工程耗散将量子系统“冷却”至其最低能量状态，即基态。为了实现这一点，我们首先将量子系统连接到另一个辅助量子系统。接下来，我们可以将激发从感兴趣的系统转移到辅助系统，然后通过工程耗散去除激发。去除激发逐渐将系统推向纠缠基态（见下图）。
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耗散冷却方案。目标量子比特（绿色）与辅助量子比特（橙色）耦合，将能量从目标转移到辅助量子比特。然后耗散“重置”操作从辅助量子比特中移除能量。重复此过程多次后，目标量子比特和辅助量子比特都处于基态。
过去，一些研究小组已经制备了多达八个原子的纠缠态，并实现了工程耗散。但由于其他不良耗散通道导致的环境退相干，更复杂的多体纠缠态一直无法实现。借助我们的Sycamore 处理器，我们开发了快速重置功能，使所需的工程耗散优于不需要的耗散通道。
实验
在这项工作中，我们使用 49 量子比特 Sycamore 处理器中的 35 个量子比特来模拟磁自旋，而剩余的 14 个辅助量子比特用于模拟前面提到的定制环境。我们发现，随着时间的推移，这种定制环境会对自旋系统产生冷却效应，并将其引向量子自旋模型（称为横向场伊辛模型）的纠缠基态。在该模型中，自旋阵列位于晶格上，每个自旋要么指向“自旋向上”，要么指向“自旋向下”。相邻自旋相互作用，并施加垂直于自旋排列的外部磁场。根据自旋相互作用和施加磁场之间的相对强度，系统可以是铁磁性的，也可以是顺磁性的。
我们通过一系列实验证明了冷却对该模型中自旋的影响。首先，我们建立了一个 1D 系统，其中我们的“自旋”量子比特链以线的形式连接。在整个链中，每隔几个量子比特还连接到充当耗散环境的辅助设备（见下图）。我们发现，随着冷却循环的进行，系统会稳定到类似于 1D 横向场 Ising 模型基态的关联状态。然后，我们将量子比特连接到二维晶格中（辅助设备分散在整个晶格中；见下图中间面板），以在 2D 中执行类似的实验。我们发现，在这个 2D 系统中，我们可以在自旋之间创建反铁磁关联，使它们与相邻的自旋反向对齐。
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耗散冷却横向伊辛模型。左图：多达 30 个量子比特的 1D 链（绿色）模拟 1D 横向伊辛模型。辅助量子比特阵列（橙色）充当耗散浴，可消除 1D 链中的激发并将其冷却至基态。冷却过程后，我们观察到量子比特之间的长程相关性，这些相关性与伊辛链的基态（|φ0⟩）非常相似。右图：35 个量子比特的 2D 阵列（绿色）模拟 2D 横向伊辛模型，由 14 个辅助量子比特（橙色）冷却。最终状态也表现出长程相关性，如右图所示。
当我们应用之前开发的用于减少误差的技术时，我们发现我们可以为 18 量子比特系统耗散地准备保真度为 90% 的基态。该值与使用单元电路在同等系统规模下实现的最高保真度相当。我们还在同一项工作中从理论上证明了耗散状态准备协议在保持状态保真度方面比系统规模更具优势。这些比较凸显了耗散方法的前景。冷却算法预计对于更复杂的关联状态更有优势，因为一旦设计了与定制环境的耦合，您就可以“设置它并忘记它”。只要耗散正在发生，系统就会自然地发展到所需状态并保持在该状态。
最后，我们证明了工程耗散在状态准备之外还适用于非平衡量子现象。在这里，我们使用一个 26 个量子比特的 1D 系统来模拟海森堡自旋链，这是一个典型的关联系统。我们通过定期重置两端两个辅助量子比特的自旋来驱动电流通过该链。我们首先研究了转移磁化，观察到其时间依赖性会根据模型的底层参数而发生强烈变化，这与既定理论一致（见下文）。在所谓的“各向同性点”，即模型的精确解未知的地方，该团队发现了一种以前未知的现象。此时，我们观察到自旋电流随时间具有明显的幂律依赖性，这表明该自旋模型存在一种以前未知的异常扩散形式。这一结果凸显了量子处理器作为基础物理发现工具的功能日益增强，其中工程耗散的引入揭示了从未观察到或理论上实现的量子现象。
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左图：量子比特极化随时间（纵轴）和空间（横轴）的变化。根据海森堡链的底层参数，自旋传输可以是弹道传输（上图），其中激发移动非常快，也可以是扩散传输（下图），其中激发移动非常慢。右图：海森堡链不同状态下的自旋电流随时间的变化。在各向同性点（蓝色），我们在这个众所周知的量子磁模型中观察到一种以前未知的传输形式，称为亚扩散传输。
结论
这项研究表明，工程耗散大大增强了量子处理器的功能，从而为制备和探测量子关联状态提供了一种概念上全新的方法。工程耗散将有助于制备强关联状态，从而产生存在于磁体等材料中的物质新量子相。量子材料被认为是量子处理器最有前途的应用之一，但大多数其他关联状态制备协议都受到不必要的退相干的严重限制。我们相信，这里展示的方法还将能够制备复杂的多体状态，例如量子自旋液体，这可能有助于合成高温超导体或用于数据存储的新材料。
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