近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）与中国科学院物理研究所（以下简称“物理所”）等单位合作，在超导量子电路中通过微波调控技术，实现了多种可编程自旋相互作用模型的精准构造，为探索量子多体系统的复杂行为提供了重要实验基础。2025年8月11日，该成果作以“Microwave engineering of tunable spin interactions with superconducting qubits”为题发表在《Applied Physics Letters》上，并被遴选为亮点文章和当期封面论文。

量子自旋系统能够呈现丰富的多体动力学现象，包括热化动力学、拓扑物态和非平衡相等，这些现象为探索复杂量子行为提供了关键窗口。量子模拟的核心在于灵活设计自旋相互作用的能力，其利用高度可控的量子系统模仿目标系统行为，已成为研究这些现象的强大工具。例如，具有可控Peierls相位的XY相互作用可合成人工规范场，模拟分数量子霍尔效应、磁矢势和拓扑相变，从而扩展多体物理哈密顿量的可实现和应用范围。当前主流量子模拟平台（如离子阱、超冷原子、光子和超导量子电路）虽在参数可调性上各具优势，但受固定相互作用形式的限制，实验灵活性不足。数字量子模拟虽然可通过通用量子门集提供更高调控潜力，却因严苛的电路深度要求和门操作误差累积而在当前技术阶段受限。为此，施加周期性驱动的替代方案应运而生，拓展了可模拟量子系统的范围。其中，超导量子电路凭借相干时间提升、可扩展架构设计及精确控制技术的最新进展（如磁通偏置调控transmon量子比特频率、可调耦合器调节近邻XY相互作用），已成为量子模拟领域极具潜力的平台。

基于此，研究团队通过微波调控技术，提出并展示了一种仅利用超导量子比特系统中单比特门操作与固有 XY 相互作用，即可对多种自旋相互作用进行可编程设计的创新方法。此外，研究团队开发了一套高效紧凑的实验框架，用于单独及协同表征和校准横向微波场的相位相关性。通过精确调控单比特门之间的时间间隔，研究团队在一个双量子比特系统中成功实现了由各向异性海森堡（XYZ）相互作用（图2）和横场伊辛相互作用主导的精确动力学演化。进一步，在八量子比特系统中，团队成功构造并实验验证了 XY 与 Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用比例可调的哈密顿量模型。该研究通过量子态层析等测量手段验证了模型有效性，突破了传统模拟器的固有限制，显著拓展了超导平台的可模拟相互作用范围，为探索奇异量子自旋模型及模拟复杂多体动力学开辟了新路径。

该论文第一作者为量子院博士后赵魁、王子婷和物理所博士后刘宇、梁珪涵，通讯作者为量子院兼聘/物理所范桁研究员、量子院助理研究员黄凯旋和物理所博士后刘宇，其他重要作者还包括物理所郑东宁研究员、许凯副研究员、宋小会副研究员、相忠诚副主任工程师、时运豪博士后、方才平博士生以及量子院博士后李浩、徐越山等。该工作得到国家自然科学基金委、量子科学与技术创新计划、北京市科技新星计划、北京凝聚态物理国家研究中心开放课题和中国博士后科学基金资助。