量子多体系统中丰富的纠缠结构和其他相互作用对量子信息技术发展具有重要价值。然而，维持这些量子系统依赖于相干性。即便在相对孤立的系统中，相干性也会容易受到一些准粒子激发的影响，导致一般量子系统难逃量子热化和混沌的命运。尽管此前研究表明，通过精细调控一维或多体局域化系统，可以避免系统热化的发生，然而一维系统并不常见且该局域系统中纠缠受到“面积律”的限制无法得到扩展，限制了多比特多体纠缠的调控。近期研究发现量子多体疤痕态（QMBS）可以在多粒子热化系统中“幸存”，受到了量子信息、凝聚态物理、量子统计等领域的关注。

最近，710公海线路检测和杭州国际科创中心与英国利兹大学合作，提出了一种在QMBS中受无序调控的纠缠结构，并在超导量子芯片上实现了对该纠缠结构的实验观测。研究展示了两种不同的QMBS：彩虹疤痕态和纠缠疤痕态。其中第一种疤痕态因其能谱结构形似彩虹而得名。为了构造这类新型疤痕态，需要两列一维多体系统构成的梯子形状，其中纵向和横向相邻粒子间的耦合强度满足特定规律，使得量子纠缠信息储存在每一层粒子中而不会趋于热化，如图1A所示。具体到超导量子芯片中，由于其中的任意相邻比特间的耦合强度可以正负自由调节，通过保持两列比特内部的耦合强度数值相同但符号相反即可构造彩虹QMBS态所需要的哈密顿量。系统的动力学行为表现为纠缠信息会随时间保持在贝尔对比特间振荡而不会迅速热化，且该疤痕态的振荡允许比特间的耦合强度存在一定的无序度。在上述系统结构的基础上，通过纠缠熵的能谱分析（如图2所示）研究人员发现另外一类全新的纠缠物态能够在热化体系中存在，称之为第二类疤痕态，其纠缠结构分布如图1D所示。难得的是，这两类QMBS的本征态可以求出解析解。

有趣的是，第二类疤痕态的振荡行为可以通过调控系统内部分耦合强度的大小来控制。研究者在实验上分别制备两种疤痕态并测量了体系的相关物理量的动力学演化，比如系统保真度的振荡和纠缠熵的缓慢增长，并证明了第二类疤痕态通过调控特定耦合强度值可以改变其振荡幅值，如图3所示。

文章成果近日在线发表于《Science Advances》上，文章的共同第一作者包括浙大博士生董航，高宇和利兹大学博士生Jean-Yves Desaules，共同通讯作者包括浙大710公海线路检测应磊研究员，王震研究员，以及利兹大学的Zlatko Papić教授，其他合作者还包括710公海线路检测张俊香教授和浙大杭州国际科创中心郭秋江研究员。浙大杭州国际科创中心技术开发专家李贺康制备了实验所用的超导量子芯片。该工作得到了国家自然科学基金，科技部国家重点研发计划、浙江自然科学基金，中央高校基本科研业务专项基金等的大力支持。

文章信息：H Dong,  J-Y Desaules,  Y Gao,  N Wang, Z Guo, J Chen, Y Zou, F Jin, X Zhu, P Zhang, H Li, Z Wang*, Q Guo, J Zhang, L Ying, Z Papić Disorder-tunable entanglement at infinite temperature Science Advances 9, eadj3822 (2023). 

文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adj3822

图1.梯形超导量子芯片示意图和热化态、第一类疤痕以及第二类疤痕的纠缠结构的概念展示。

图2.第一、二类QMBS态与其余热化本征态的纠缠熵。B，C对应A中不同的切块方法。

图3.第二类疤痕态的无序性调节，展示了通过调节比特间耦合强度的差值大小调节系统的振荡幅度。