日常生活里，反复摇晃、敲击物体会不断输入能量，最终让系统升温、变得无序，这是热力学的普遍直觉。在量子世界中，周期性驱动的多体量子系统也存在同样困境：持续注入能量会快速破坏量子相干，使系统热化。目前学术界已经发展了三类主要的热化抑制方案，但它们各自都存在一定局限性。多体疤痕、希尔伯特空间碎片化仅能保护特殊的子空间，只有精细挑选的特定初始福克态能延迟热化过程;传统高频驱动的弗洛凯预热化（Floquet prethermalization）仅在驱动频率远大于相互作用强度的高频区间生效；多体局域化（many-body localization）则必须引入随机无序，实验需要大量无序样本重复测量取平均，同时可能存在的量子雪崩效应也会导致系统最终热化。

随着量子计算的飞速发展，人们能够高精度地制备、操控多体量子态，并直接测量量子态在单个福克态上的振幅，这为研究非平衡量子多体系统提供了新的手段。过去人们往往只能观测系统全局平均信号，现在则可以像“显微镜” 一样，追踪量子态在福克空间的微观扩散路径，这也意味着亟需寻找普适性更强的抗热化机制，福克空间视角成为解决该问题的重要工具。近日，浙江大学物理学院/杭州国际科创中心王浩华、郭秋江团队联合中国科学院大学黄飚团队，提出并系统验证了福克空间预热化（Fock space prethermalization）机制，在72比特超导量子芯片观测到了由福克空间预热化诱导的时间晶体现象，并完成了有限尺寸外推，相关研究成果以“Fock Space Prethermalization and Time-Crystalline Order on a Quantum Processor”为题发表于Physical Review Letters。

图1：福克空间预热化机制概念图。

如图1所示，我们可以把量子比特所有的福克态基矢想象成一张巨大网络：每个节点代表一个福克基态，线条代表量子态能够在两种福克基态间跃迁。量子系统随驱动演化的本质，就是量子态在福克空间的不同节点之间的“跳跃扩散”。那么，如果福克空间内节点连接稠密，量子态就会快速铺满全空间，系统迅速热化。反之，若能将完整福克空间拆分为大量弱耦合、低连通度的稀疏子网络，就能从根源延缓热化进程。在该工作中，强伊辛相互作用会形成畴壁（domain wall）守恒约束，把整张稠密网络拆成大量几乎互不连通的稀疏子网，大幅限制量子态扩散速度，延缓热化，这就是福克空间预热化。

为验证福克空间预热化是一种稳定的多体量子热化抑制方案，团队在超导量子芯片上构建了24，40，56，72 比特四种不同尺寸的一维伊辛链，分别通过追踪系统畴壁数量和量子态在福克空  间的波包宽度来量化热化程度（图2）。这两组标度实验结果显示，福克空间预热化是一种多体量子效应，在扰动强度λ₁≈0.4 处观测到与系统尺寸无关的临界转变。该研究实现了低频驱动、不需要无序、适用于所有福克态的通用热化抑制，为构造新型非平衡量子多体物态提供新的抗热化机制。

图2：福克空间预热化-热化的有限尺寸外推分析。

浙江大学物理学院博士生包泽杭为论文的第一作者。浙江大学杭州国际科创中心/物理学院的郭秋江研究员和中国科学院大学卡弗里理论科学研究所的黄飚研究员为论文的共同通讯作者。其他主要作者包括：浙江大学物理学院的王浩华教授、宋超研究员和王震研究员，浙江大学杭州国际科创中心张鹏飞研究员和李贺康高级工程师，兰州大学理论物理中心的程晨研究员和美国休斯顿大学物理学院的Rubem Mondaini教授。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/bq3c-c3d8