北京量子院在超导量子比特能量弛豫的多体热化机制研究中取得进展

近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）智能量子计算与模拟团队在超导量子比特能量弛豫的微观机制研究中取得新进展。团队近期在热力学第二定律微观动力学机制方面的研究表明热化和热力学熵增源自于信息擦除，而开放系统的能量弛豫等现象本质上是系统和环境整体的热化过程。本研究基于该理论构建了超导量子比特耦合有限相互作用多体二能级系统（two-level systems，TLS）的微观模型，揭示无需引入外部热浴或唯象耗散，体系内禀多体动力学即可产生有效不可逆的指数能量弛豫。2026年8月19日，相关成果以《能量弛豫和量子热化：与相互作用多体二能级系统耦合的超导量子比特》（Energy relaxation via quantum thermalization: A superconducting qubit coupled to an interacting many-body two-level system）为题，发表于APS Open Science。

  超导量子比特的相干时间长期受到材料缺陷环境的限制。广泛分布于表面氧化层、材料界面和加工残留中的TLS，可通过电偶极相互作用与量子比特交换能量；TLS之间的相互作用还会引发频率扩散和谱漂移，导致实验中常见的弛豫时间波动。以往理论通常将不同TLS视作彼此独立并通过声子通道快速耗散的环境自由度，再借助费米黄金法则或Lindblad主方程描述指数衰减。然而，当声子耗散被显著抑制时，有限且相互作用的TLS环境如何从相干微观动力学中产生不可逆弛豫，仍缺少清晰的物理图像。

  围绕这一问题，研究采用团队前期提出的“信息擦除”热化框架，将TLS分为不同特征频率的τ型和υ型，以长度为7的一维链构建有限多体环境：同频TLS通过共振跃迁耦合，异频TLS通过等效ZZ相互作用耦合，量子比特与链端τ型TLS弱耦合。模型引入随机TLS频率涨落，使体系哈密顿量与随机哈密顿量交替作用，形成全前向时间信息擦除（full forward-time information-erasure，FFTIE）序列。该序列对应器件环境引起的频率漂移和绝热相位扰动，可推动TLS内部热化并逐步破坏相干能量回流。

图1.超导量子比特-多体TLS模型及FFTIE序列

  数值结果显示，在FFTIE序列作用下，量子比特与TLS之间原本往复的相干能量交换转变为平滑的指数弛豫；各随机轨迹均不可逆衰减，平均占据数趋近微正则平衡值1/8，量子比特相干性也同步指数衰减。改变耦合强度后，拟合得到T₁和T₂分别满足近似J_q,τ^-1.9969和J_q,τ^-1.9676的标度，且T₂约为T₁的2.14倍。该近反平方规律与费米黄金法则及Lindblad描述一致，但在本研究中完全由有限体系的幺正多体动力学微观涌现。

图2.多体热化诱导的量子比特指数弛豫、退相干及T₁/T₂标度

  研究进一步揭示了器件微观参数对弛豫的调控作用。随着TLS内部耦合增强，多体能谱展宽、与量子比特近共振的有效通道减少，T₁逐渐增大并在内部耦合超过约3MHz后趋于饱和；提高FFTIE作用频率则可从演化早期抑制相干振荡，使体系更快进入稳定的指数弛豫。改变TLS初始激发数不会破坏T₁对量子比特-TLS耦合强度的近反平方标度，但会显著改变绝对弛豫时间：在论文考察的参数区间内，减少一个υ型TLS激发后T₁近乎减半，说明低有效温度在某些多体参数区间反而可能对应更短的量子比特寿命。

图3.多体TLS环境参数对量子比特弛豫的影响

  该研究从微观层面建立了信息擦除、多体热化与超导量子比特不可逆弛豫之间的定量联系，为传统开放量子系统理论中的指数衰减和黄金法则标度提供了有限多体动力学基础，也为理解实验上长期存在的T₁波动及其对量子纠错的影响提供了新视角。未来可利用先进TLS调控和声子工程技术，调节TLS激发数、内部耦合与频率涨落速率，实验检验从相干振荡到指数弛豫的跨越，并将模型推广到更大规模、更加真实的TLS网络。

  该论文唯一作者为北京量子院助理研究员郭学仪。