在最近的一项研究中，国科大卡弗里理论科学研究所的黄飚研究组和浙江大学王浩华、郭秋江研究组展示了用离散时间晶体保护 Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) 态的方法。这一“猫疤痕态”时间晶体按需设计了薛定谔猫型量子多体疤痕本征态来保护脆弱的GHZ态。这使得全局纠缠的GHZ 态寿命是未受保护的情况下的三倍，并且长于用通常的自旋回波(spin-echo)保护的GHZ态。该实验遵循了早期的理论蓝图 [Biao Huang, Physical Review B 108, 104309 (2023)] ，于2024年 10 月 12 日发表在 [Z. Bao, et. al., Nature Communications 15, 8233 (2024)]  上。

GHZ 态是著名的“薛定谔的猫”在量子比特平台上的对应实现。它由两个宏观上不同的量子比特激发态组成，并且每对量子比特之间都存在最大纠缠。这些态在量子计算和量子信息处理中起着至关重要的作用。然而，它们极其脆弱，因为它们的相干性就像薛定谔的猫一样，在任一组分受到扰动下都会被破坏。在过去的几十年里，诸多量子平台都做出了巨大努力来生成比特数更多的 GHZ 态。此前，世界纪录是 2023 年离子阱所实现的 32比特GHZ态。而在生成之后，进一步长时间保护大尺寸 GHZ态的实验则迄今都少有人探索。

在目前的这一实验中，超导比特平台生成了创纪录的60比特GHZ 态，几乎是之前记录的两倍。基于量子器件的改进，研究人员朝着更具挑战性的目标迈进，即在长时间驱动下保护 GHZ 状态。这将更接近于这些量子态的最终应用场景。实验中，保护 GHZ 状态的策略是将其嵌入一种奇异的非平衡量子物质，称为离散时间晶体(discrete time crystals, 简称DTC)。该时间晶体的能谱包含成对的猫疤痕本征态以容纳和保护GHZ态免受干扰。

时间晶体的概念最初由诺贝尔奖获得者Frank Wilczek于 2012 年提出。他将朗道自发对称性破坏的概念从通常的空间/内部自由度推广到时间维度。DTC 是一个相互作用系统，以周期 T 驱动，但无论扰动如何，都表现出稳健的次谐波响应，即刚性周期为 2T，因此类似于时间方向上的“自旋密度波”。

在具体模型中，每个周期 T 中的 DTC 由两个驱动步骤组成。首先，系统经历单量子比特翻转脉冲，该脉冲作为回声(echo)来消除外部退相位(dephasing)噪声。然后，在第二步中，系统经历 Ising 类型的双量子比特相互作用，以此抑制内部退局域化和演化方面的干扰。两个驱动步骤共同使得DTC具有长程纠缠的猫本征态，以保护GHZ态的宏观相干性免受外部和内部扰动。此外，为了实现此处的特定目的，研究者们将DTC升级为特殊的“猫疤痕态DTC”。这一时间晶体允许人们解析地定量计算稀有的猫态本征态（称为猫疤痕态）的品质（如局域化、能谱性质），以有效匹配和保护GHZ态。此外，这一时间晶体允许系统只包含一种类型、空间平移不变的两比特门阵列，但可以实现任意非均匀比特位形的猫疤痕态。这样的升级提高了对GHZ保护的确定性和资源使用效率，最终使GHZ状态保护方案在实验中显示出明显的优势，甚至使实验得以在演化过程中无缝切换对不同GHZ态的保护。

这一实验结果可能的影响可以从两个方面来看待。从技术上讲，DTC方案中使用了Ising相互作用来保护GHZ态，这可以使其免受任意的内部扰动。这对比通常无法消除两比特扰动的自旋回波(spin echo)方案有了明显的区别。从物理上讲，对GHZ态的宏观相干相位的动力学观测，尤其是看到它长时间的倍频周期震荡，构成了一个强大的传感方案，使得人们得以精确探测到单个猫态本征态，并证实它们成对出现、准能量差为π。这一现象被称为“能谱配对”，是自2016年DTC研究开始以来人们长期试图观测到的一个核心特征。

实验由黄飚副教授（KITS）理论组与王浩华教授（浙江大学物理学院）、郭秋江研究员（浙江大学杭州国际科创中心）实验团队合作完成。实验方面，作者包括包泽杭（共同一作，浙江大学博士生）、徐世波（共同一作，浙江大学博士生）以及浙江大学超导量子计算团队其他成员；理论方面包括刘洋任（KITS博士生）。郭秋江、黄飚和王浩华为共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金、浙江省科技厅、浙江省自然科学基金和新基石科学基金会探索奖的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53140-5

利用猫疤痕态时间晶体成对出现的长程纠缠本征态来给薛定谔的猫(GHZ量子态)存盘，并诱导量子态进行2T周期相位震荡