作者: Jakob Murauer, Sabine Tornow, Gabriele Perfetto

1. 核心物理图象

本文的核心思想是利用一种被称为“随机重置”的协议，在量子计算机上创造一种“非平衡稳态”。可以想象一个量子系统，它一边按照固有规律（由“弗洛凯横场伊辛模型”描述）演化，一边又会被随机地打断并强行重置回某个初始状态。这种随机打断与演化的动态平衡，最终会让系统进入一个稳定但不平衡的状态，这个状态会体现出系统本身的一些关键特性，例如量子相变的迹象。这篇论文的主要贡献是，首次在真实的超导量子处理器上（最多7个量子比特）成功实现了这种状态，并开发了一个包含真实硬件噪声的理论模型，使得实验结果与理论预测高度吻合。

2. 关键术语解释

• 随机重置 (Stochastic Resetting)：一个量子过程在随机的时间点被中断，然后系统被立即“复位”到某个指定状态。打个比方，就像你在玩游戏，每隔一段随机时间，游戏就会自动存档并让你从存档点重新开始。这个过程迫使系统进入一个“非平衡稳态”。
• 条件重置 (Conditional Resetting)：一种更聪明的重置方式。系统在进行一次“中间线路测量”后，根据测量结果（例如，看大多数量子比特处于|0⟩还是|1⟩）来决定重置到哪个状态。这就像一个反馈系统，测量结果指导了下一步的重置行为，从而能更精细地调控最终形成的稳态。
• 非平衡稳态 (Non-Equilibrium Steady State, NESS)：一个量子系统在持续受到外部驱动（如随机重置）和内部演化共同作用下，最终达到的一个不随时间改变的稳定状态。它不同于热力学平衡态，因为它需要持续的“能量输入”（即重置操作）来维持。本文研究的NESS能反映系统自身的量子相变信息。

3. 主要贡献

1. 首次实验验证：在真实超导量子处理器上，通过“条件重置”协议成功制备并观测到由相互作用驱动的量子多体系统（弗洛凯横场伊辛模型）的“非平衡稳态”（NESS）。
2. 开发含噪声理论模型：针对当前量子硬件的不可靠性（如读出和重置误差），提出了一个基于对称性的噪声理论模型，该模型能精确地拟合和解释实验数据，展示了理论与实验的完美对应。
3. 揭示稳态与量子相变的关系：实验观测到的NESS序参量（磁化强度）随参数的变化，呈现出与系统本征量子相变（Z2对称性破缺）一致的交叉行为。这表明通过随机重置可以在量子计算机上“模拟”或“体现”量子相变的特征。
4. 为量子算法提供新路径：证明了“动态电路”（包含中间测量和反馈重置）是一种实用的、在近期含噪量子设备上制备集体稳态的可行技术，为发展依赖于中间测量的量子算法铺平了道路。

4. 研究方法

• 理论框架：作者首先建立了一个离散时间下的“含噪条件重置”理论。其核心是将量子门的幺正演化与含噪的测量和重置操作交替进行。通过“Majumdar-Evans”等人发展的经典随机重置理论进行推广，使用“更新方程”（Renewal equation）和“Z变换”来解析求解系统长时间后的稳态密度矩阵。
• 实验平台：在IBM的127量子比特超导处理器“ibm_marrakesh”上进行远程实验。使用了“动态电路”技术，即在实际运行中执行中间测量，并通过经典计算（基于多数投票规则）实时决定后续的重置操作（施加X门）。
• 模型与对比：选取了“弗洛凯横场伊辛模型”（Floquet Transverse-field Ising Model, FTFIM）作为测试对象。该模型具有一个由参数h（横场强度）控制的Z2对称性破缺量子相变。实验测量了系统达到稳态后的纵向磁化强度平方⟨m²⟩。实验结果与包含噪声的理论模型进行了比对，验证了模型的有效性。

5. 实验结果与结论

• 核心结论：在高达7个量子比特的系统中，实验测得的NESS数值与作者提出的“含噪声重置状态模型”的预测在定量上吻合。实验数据清晰地展示了系统从铁磁相（h < 1）到顺磁相（h > 1）的平滑交叉，重现了该模型量子相变的行为。
• 研究启示：该工作证明了在现有含噪量子处理器上，利用随机重置和动态电路来工程化制备集体量子稳态是可行的。这为未来利用量子计算机进行更复杂的量子模拟、开发新的量子算法（如量子漫步加速）提供了重要的实践见解和硬件验证。研究还指出，对于更大规模的系统，仍需集成更先进的量子纠错协议来克服硬件延迟和退相干带来的挑战。

6. 论文标签

量子算法, 物理硬件, 模拟

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原文链接： Nonequilibrium steady states induced by stochastic mid-circuit measurements and resets on a quantum computer