近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）联合中国科学院物理研究所、西安交通大学、合肥国家实验室等单位，在可调超导玻色-哈伯德模拟器中的量子关联动力学研究方面取得新进展。研究团队基于超导三能级量子单元（qutrit）阵列和弗洛凯（Floquet）工程方法，实现了具有可调在位相互作用的玻色-哈伯德模型，并系统观测了两粒子量子行走过程中密度关联、纠缠负性（negativity）和量子失谐（quantum discord）的演化行为。2026年7月28日，相关成果以“可调超导玻色-哈伯德模拟器中量子关联动力学的观测”（Observing Quantum Correlation Dynamics in Tunable Superconducting Bose-Hubbard Simulators）为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

量子行走是研究粒子输运、拓扑物态、任意子物理和多体量子动力学的重要工具。其中，两粒子量子行走由于同时包含粒子统计、相互作用和量子关联等核心物理过程，被认为是自下而上理解复杂多体动力学的重要出发点。过去，光子和冷原子体系已经在两粒子行走、密度分布和关联函数测量方面取得了丰富进展，但在超导量子体系中，由于transmon 型超导量子比特器件天然处于强相互作用或近硬核玻色子极限，Bose-Hubbard 模型中的在位相互作用通常难以灵活调节，这限制了对相互作用驱动关联动力学的系统研究。

围绕这一问题，研究团队使用了一个由9个 transmon qutrit 和12个可调耦合器构成的超导量子处理器（图1）。实验中，团队选取其中的7个或8个 qutrit 构造一维链，通过设置可调耦合器实现所需的链式连接，并利用纵向周期驱动场对偶数编号 qutrit 的频率进行 Floquet 工程调控。该方法能够有效改变两粒子子空间内第二激发态的能量，从而在保持隧穿强度基本固定的同时，实现 Bose-Hubbard 模型在位相互作用 U 的连续调节。由此，超导 qutrit 阵列从原本接近硬核玻色子极限的体系，转变为一个可调相互作用的 Bose-Hubbard 量子模拟平台。

研究团队首先通过能谱测量验证了 Floquet 工程对相互作用强度的调控能力（图1（d-g））。实验中，团队将所有 qutrit 调至共同共振频率，并对偶数编号 qutrit 施加纵向周期驱动；随后通过测量不同 qutrit 对之间的时间相关函数并进行傅里叶变换，获得体系的两粒子能谱。实验结果显示，随着归一化相互作用强度 u = U/J 增大，体系能谱由单一连续能带逐渐演化出明显的双能带结构，与数值模拟和精确对角化结果相符，表明该平台能够有效实现可调 Bose-Hubbard 动力学。

在此基础上，研究团队进一步开展了不同初态下的两粒子量子行走实验（图2）。实验分别制备了三类典型初态：两个粒子分别位于中心相邻两个 qutrit 的初态、中心两个 qutrit 上的Bell 态初态，以及两个粒子共同占据中心 qutrit 的初态。通过测量各 qutrit 上不同能级的布居数，团队获得了两粒子在链中的传播图像。结果表明，对于两个粒子分居相邻格点或 Bell 态初始条件，相互作用增强会抑制单激发与双激发能级之间的布居转移；而当两个粒子初始共同占据同一格点时，强相互作用则会抑制粒子的分离，使其形成传播较慢的束缚对。

在两个粒子初始位于相邻 qutrit 的情况下，密度-密度关联函数的最大值由对角线方向转向反对角线方向，清楚显示出体系从类玻色聚束（bunching） 行为向类费米反聚束（antibunching） 行为的转变。更进一步，研究团队利用超导多能级体系可进行粒子数非守恒测量的优势，对两 qutrit 子系统进行量子态层析，重构其密度矩阵，并计算negativity 和quantum discord，用于刻画两点纠缠和更广义的量子关联动力学（图3）。实验发现，相互作用和初态会显著改变纠缠与 quantum discord 的传播方式。在某些初态下，随着相互作用增强，纠缠传播会被强烈抑制，甚至在相邻 qutrit 对之间几乎消失；然而 quantum discord 仍能保持更明显的传播幅度。这说明在多能级 Bose-Hubbard 体系的非平衡演化中，量子关联并不总是以纠缠的形式存在，discord 可以揭示纠缠之外的非经典关联。

该研究还发现，在无相互作用或弱相互作用条件下，两粒子量子行走过程中形成的纠缠结构能够在不同 qutrit 对之间保持相似形式并随粒子传播而转移；而当相互作用增强时，这种纠缠形式的保持一般会被破坏。对于 Bell 态初始条件，由于初态纠缠不依赖单个qutrit的 |2?能级，即不依赖同一格点的双占据分量，因此即使相互作用较强，相关纠缠特征仍能在量子行走过程中保持可见。这一结果揭示了初态结构和相互作用强度在量子关联传播中的共同作用。

该研究将超导量子模拟从传统的布居和密度关联测量进一步推进到密度矩阵层面的量子关联动力学研究。通过 Floquet 工程实现可调在位相互作用，并结合 qutrit 量子态层析、negativity 和 quantum discord 分析，研究团队在同一实验平台上系统展示了粒子统计、相互作用和量子关联之间的关系。该工作不仅为研究 Bose-Hubbard 模型中的非平衡动力学提供了新的实验方案，也为利用超导多能级体系模拟更复杂的强关联量子系统、探索纠缠之外的量子关联传播提供了重要参考。

未来，该方向有望进一步拓展到更大规模的 qutrit 阵列、更高激发数的 Bose-Hubbard 动力学、开放系统中的关联传播以及具有拓扑或规范结构的多体模型中。借助超导量子处理器在高精度测控、多能级读出和可编程相互作用方面的优势，该平台可为非平衡量子多体物理、量子关联调控和多能级量子信息处理提供更丰富的实验工具。