量子多体疤痕态是近期新发现的弱遍历性破坏的新物态，可应用于量子信息等领域。在量子超导体系中我们首次观测到了非约束模型下一种全新的多体疤痕态。

Quantum many-body scarring is a recently discovered form of weak ergodicity breaking in strongly interacting quantum systems, which presents opportunities for mitigating thermalization-induced decoherence in quantum information processing applications. Here we realize a distinct kind of QMBS by approximately decoupling a part of the many-body Hilbert space in the computational basis in superconducting platform.

本项目由浙江大学物理学院应磊研究组与浙大和浙大国际科创中心王浩华教授超导量子计算实验团队、美国亚利桑那州立大学来颖诚教授以及英国利兹大学Zlatko Papić教授等合作完成。应磊研究员与合作团队提供了理论解释和实验方案，浙江大学和浙大国际科创中心王浩华领导的超导量子计算实验团队负责实验实现。该工作以题为“Many-body Hilbert space scarring on a superconducting processor”发表在Nature Physics 19, 120上。本项目在2022年10月14日在浙江大学求是风采公众号上公开报道。同时，国外10余家媒体报道，包括phys.org，EurekAlert! AAAS等。

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 量子疤痕是量子世界中一种反常的量子物态。在经典动力学中，让我们展开想象，当我们在一个足球场形状的台球桌上击打台球，在没有能量损耗的理想情况下，台球就会一直碰撞下去，最终它的轨迹会遍布台球桌的各个角落，这便是物理学中“遍历性”概念的直观理解。仅在少数的情况下，比如击球的角度刚好垂直于台球桌的长边，台球就只会沿着特定的路线来回振荡而呈现“非遍历”的情况，但这类轨道是极为不稳定的，只要角度发生细微的偏离，“遍历性”又会占据上风，台球还是会妥妥地遍历整个台球桌。这是经典世界中的“疤痕”，但是它不稳定。

到了量子世界，“台球实验”则要复杂和有趣得多。虽然量子体系中的粒子尽管整体难逃量子混沌（遍历性）的命运，但也存在一些反常的迹象：即使在面对扰动时，某些在经典动力学体系中不稳定的“轨道”，在量子体系中则表现出了一定的“抗干扰”能力而稳定存在。我们称之为“量子疤痕”，该概念诞生于1984年，最初被用于描述单个粒子的行为。直到2017年，哈佛大学Lukin研究组构建了由51个原子组成的原子链，当测量原子链的量子动力学时，意外发现某些量子态的振荡所持续的时间比预期的长得多。2018年，英国利兹大学的Zlatko Papić等教授发表论文解释了这一实验现象背后的的机理，把“量子疤痕”与“多体物理”两个概念结合起来，提出了“量子多体疤痕”的概念。

在此之前，仅有里德堡原子体系是一个有动力学约束的多粒子系统。因此应磊研究员思考，量子多体疤痕的现象是否具有普适性，在更为普遍的非约束的量子体系里，是否也存在量子多体疤痕现象？一年前，应磊研究员与合作团队开始了探索。他们构建了一条由30个超导量子比特组成的长链，形状像一条盘踞起来的贪吃蛇。如果把每一个量子比特代表一个‘座位’，那么在非约束的系统中，光子可以在‘座位’间跳动，而且量子比特间的耦合强度越强，光子跳动的概率就越大。近邻量子比特间的耦合强度可以通过编程来进行调节。对角的两个量子比特之间存在较弱的耦合强度，这使得整个量子系统能够热化。

浙江大学和浙大国际科创中心王浩华、宋超、王震、郭秋江带领的超导量子计算实验团队负责实施了应磊研究员的构想。实验中，研究人员观察到这条 “贪吃蛇”内部呈现出特殊的量子纠缠状态：两个量子比特为一个单元，在单元之内显现出比单元之间更强的纠缠，呈现出清晰的秩序。随着时间的流逝，这种清晰的秩序是缓慢消失的，相对于普通量子系统的退相干时间，它趋于量子混沌的时间延长了10倍。这种对比是鉴别量子疤痕态和其他热化态的依据，这是一种全新的量子疤痕态，也是在多粒子非约束的系统里首次实验实现。这项研究还第一次测量了非约束系统中的纠缠熵。纠缠熵描述的是量子体系中纠缠的混乱程度——纠缠熵越高，代表体系的纠缠越混乱。在普通量子系统中，纠缠熵会迅速到达最高值，而对于量子疤痕态的情况，纠缠熵曲线是缓慢走高的，似乎具备某种对抗量子混沌的力量，花了10倍的时间才到达最高值。