超导量子比特阵列中(2+1)维Z2 晶格规范理论的电荷与弦动力学可视化研究

研究人员针对非平衡态晶格规范理论(LGT)中弦激发动力学难以通过传统数值方法研究的问题，利用二维超导量子处理器实现了(2+1)D Z2 LGT的量子模拟。通过变分量子电路(WALA)制备低能态，结合局域门操作和离散时间演化，首次观测到从解禁闭到禁闭相的动力学转变特征，揭示了禁闭相内弦涨落的两种不同机制，并发现促进弦断裂的共振条件。该研究为探索强关联量子物质中的涌现激发提供了新方法。

　　

在探索基本相互作用的微观机制时，规范场理论构成了现代物理学的基石。从描述夸克禁闭的量子色动力学(QCD)到凝聚态系统中的拓扑序材料，晶格规范理论(LGT)通过空间离散化提供了强大的研究框架。然而，传统方法在研究LGT的非平衡动力学时面临根本性挑战：微扰理论失效、蒙特卡洛方法遭遇符号问题、张量网络受限于纠缠增长。这些限制使得弦激发动力学——如连接禁闭夸克的弹性弦的量子涨落——长期缺乏实验观测手段。

为解决这一难题，来自Google Research与慕尼黑工业大学的国际合作团队在《Nature》发表突破性研究。他们利用72量子比特Sycamore超导处理器，首次实现了(2+1)维Z₂
晶格规范理论的量子模拟，通过空间分辨和时间分辨的测量，直观展现了电荷禁闭和弦振动的微观动力学。研究团队开发了权重可调环路变分量子电路(WALA)，该电路通过优化单量子比特旋转角度θ，成功制备了与基态高度重叠的低能态。通过Suzuki-Trotter分解实现时间演化，结合随机编译和动态解耦等误差抑制技术，在35量子比特网格(17个规范场量子比特+18个辅助比特)上获得了高质量数据。

关键技术包括：1) WALA变分电路实现低能态制备；2) 基于Suzuki-Trotter分解的八层纠缠门时间演化方案；3) 辅助比特投影测量和双激发态后选择技术；4) 不等时关联函数的Hadamard测试测量；5) 全局退极化噪声模型的误差缓解方法。

【WALA变分态制备】
研究团队将传统环形码制备电路推广为含参形式，通过经典优化确定最优旋转角θ。理论分析表明该变分态等价于二维横场Ising模型的平均场近似，在热力学极限下，当电场耦合常数h_E
超过临界值h_mf
=0.25时会发生拓扑序到平庸相的转变。实验在有限尺寸系统中验证了WALA对基态能量的良好近似，其能量误差显著低于环形码基态(θ=π/2)和极化态(θ=0)方案。

【电荷禁闭动力学】
通过在WALA态上施加局域X门创建相邻电荷对，研究团队观察到随着h_E
增大，电荷运动从自由扩散转变为受限振荡。在h_E
=2.0的强禁闭区，电荷平均间距被限制在初始位置附近，表现出明显的禁闭势特征。通过构造量子叠加态|ψ_±
?，研究人员进一步揭示了量子干涉效应：在解禁闭相(h_E
=0)，|ψ₊
?和|ψ_-
?分别表现出相长和相消干涉导致的分离度差异；而在禁闭相，两者均受弦张力限制。

【弦振动可视化】
通过沿系统边缘创建固定弦激发，团队测量了不等时关联函数S_ZZ
(t)=Re[?Z(t)Z(0)?]×?Z(0)?。实验发现三种典型行为：1) 解禁闭相(h_E
=0.1)中弦激发快速退相干；2) 中等禁闭(h_E
=0.6)时弦呈现强烈横向涨落；3) 强禁闭(h_E
=1.4)下弦被"冻结"在初始位置。这些现象证实了禁闭相内存在由弦张力调制的两种动力学机制。

【弦断裂共振】
研究还发现，当电场强度h_E
≈2J_E
时，弦断裂导致的电荷对产生概率显著增强。这一共振条件源于弦长度缩短获得的能量增益(2h_E
)与电荷对产生能耗(4J_E
)的平衡，为理解规范理论中的粒子产生机制提供了新视角。

这项研究开创性地将量子处理器发展为研究规范理论动力学的"量子显微镜"，其重要意义体现在三个方面：首先，建立了超越经典计算的非平衡LGT研究范式，为解决QCD禁闭等难题提供了新工具；其次，发展的WALA变分方法和弦动力学测量技术可推广至SU(N)等更复杂规范群；最后，揭示的弦涨落双机制深化了对拓扑序材料中分数化激发的理解。正如研究者T.A. Cochran等强调的，这种空间-时间分辨的测量方法为强关联系统的微观动力学提供了全新观测窗口，将推动从高能物理到量子材料的多学科交叉研究。