中国科研人员首次在量子体系里达成并观测到高阶非平衡拓扑相

11月28日消息，据央视报道，中国科学技术大学的潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明团队与山西大学梅锋团队携手合作，成功在量子体系里达成并探测到高阶非平衡拓扑相。

该团队依托可编程超导量子处理器“祖冲之二号”，首次在量子体系里达成并探测到高阶非平衡拓扑相。

▲ 高阶拓扑物态是该领域近年来的重要研究进展，它从根本上拓展了拓扑体-边对应原理的内涵，发现拓扑保护效应能够在维度更低的嵌套边界结构中显现，像零维拓扑角模就是典型例子。

这一突破意味着量子模拟在探索复杂拓扑物态领域获得了关键进展，为借助超导量子处理器达成量子优势开拓了全新方向。

拓扑相是近年来凝聚态物理与量子模拟领域的重要研究方向。和传统拓扑相存在差异，高阶拓扑相在维度更低的边界处产生了局域态，对传统的体-边对应关系构成了挑战。虽然在经典超材料（metamaterials）里已经完成了高阶拓扑相的实验，但在量子体系中实现高阶拓扑相始终是国际前沿的科学难题。实现高阶拓扑相不但有利于揭示拓扑物态的量子本质，还能为基于非阿贝尔统计（non-Abelian braiding statistics）的拓扑量子计算提供潜在的实现方式。

进一步来看，拓扑物态的研究领域正从平衡体系朝着非平衡体系延伸，已然成为凝聚态物理领域的关键前沿方向。非平衡拓扑相展现出平衡体系所没有的独特性质，像拓扑抽运、动力学拓扑相变以及π能量拓扑边界模等，这些特性揭示了拓扑与动力学之间复杂且深刻的内在关联，进而为在时间维度借助拓扑保护对量子态开展高精度、高鲁棒性的超快操控创造了可能。不过，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现长期以来面临着两大难题：一方面是怎样在量子体系里精准构建高阶非平衡拓扑哈密顿量；另一方面则是缺少能够直接探测非平衡拓扑性质的有效手段。

▲ 实验在 6x6 二维比特阵列上实现周期性驱动

研究团队借助“祖冲之2号”超导量子处理器的可编程特性，在实验中首次完成了平衡与非平衡二阶拓扑相的量子模拟及探测工作。理论层面，该团队针对高阶拓扑相提出了静态与Floquet量子线路的设计方案，攻克了在二维超导量子比特阵列中构建高阶平衡与非平衡拓扑哈密顿量的核心难题，同时开发出通用的动力学拓扑测量框架。

在实验层面，研究人员构建了一套系统化的处理器优化策略，借助精密的标定手段，达成了对量子比特频率与耦合强度的动态调控。在6×6的量子比特阵列上，他们顺利完成了包含50个Floquet周期的演化操作，首次成功实现了四种不同类型的非平衡二阶拓扑相，并且对该拓扑相的能谱特性、动力学行为以及拓扑不变量等关键特征展开了系统性的探索。

▲ 实验实现了对于非平衡二阶拓扑物态准能谱信息的探测，与理论预言结果一致。

相关论文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题，于11月28日在国际学术期刊《科学》上发表（IT之家附DOI：10.1126/science.adp6802）。