保持量子信息被认为是实现实用量子计算的关键挑战之一。研究人员指出，相互作用的量子系统往往呈现混沌行为并遵循热力学规律，随时间推移会导致信息丢失。物理学界长期关注一种被称为“动力学冻结”的例外情形：当量子系统在精确调谐的频率下接受外部驱动时，可在一定程度上抑制热化过程。

康奈尔大学的物理学家近日给出了动力学冻结持续时间的首个定量答案。团队通过建立新的数学框架证明，冻结态虽然无法永久维持，但在持续驱动条件下可稳定存在极其漫长的时间，从而为量子系统中的信息保护提供一种可计算、可评估的理论策略。研究人员表示，这一结果为未来量子比特规模扩展至百万级时维持相干性提供了潜在路径。

康奈尔大学文理学院物理学副教授Debanjan Chowdhury在研究中表示，这一问题可类比为“如何让热咖啡在没有加热器的情况下保持温度，或让放在加热器上的冰块不融化”，其核心在于理解量子多体系统中热力学过程被延缓的极限。

冻结态寿命的定量估计

研究团队通过解析计算发现，量子系统在外部周期性驱动下可以在极长时间尺度内保持信息，潜在时间尺度可接近宇宙年龄量级；但冻结态并非永恒，最终仍会通过极其罕见的量子过程发生热化。

相关论文题为《动力学冻结附近的瞬子驱动热化》，已发表在《Physical Review X》。论文共同第一作者为康奈尔原子与固态物理实验室（LAASP）的Bethe/KIC博士后Haoyu Guo，以及前富布赖特访问学者Rohit Mukherjee。

Chowdhury表示，研究的关键进展在于能够“精确计算保护持续的时间尺度”。他指出，在存在驱动的情况下，相关时间尺度呈指数级增长，使得信息可被保存的时间“非常非常长”。

Mukherjee则强调，冻结态需要持续驱动才能维持。他将其比作秋千运动：只有不断施加小而有节奏的推动，系统才能保持在特定的运动状态；在该研究语境下，周期性驱动相当于这种规律推动。

罕见量子过程导致最终热化

研究还从理论上刻画了相干性最终衰减的机制。Guo表示，系统在大部分时间内保持稳定，但会偶尔发生突发的量子跃迁进入另一状态，类似于“球从一个山谷突然出现在相邻山谷”，并非越过山顶而是通过量子效应“穿过”障碍。

Chowdhury指出，持续的周期性驱动在精确调谐的频率下，会产生对导致混沌过程的微妙量子力学抵消效应，从而延缓热化。

对量子计算扩展的潜在意义

研究人员表示，这项工作属于理论研究，但可能对不同量子计算平台的实验探索产生影响。随着量子处理器规模增大，维持相干性难度显著上升；在高度耦合的系统中，一个不稳定量子比特可能引发大规模相互作用组件的级联错误。

Chowdhury称，在少量量子比特条件下系统控制相对可行，但当规模达到百万级时，即便微小的混沌过程也可能触发“雪崩效应”，因此需要在系统扩展时仍然有效的策略。

团队同时指出，动力学冻结并非唯一的信息保护方案，但其潜在优势在于可从少量相互作用量子比特的情形，延展到未来实际设备所需的百万量级量子比特规模。Chowdhury表示，该研究表明动力学冻结并不违反热力学定律，而是一种处于有序与混沌之间的精细平衡状态，其寿命如今可从第一性原理进行预测。