“祖沖之二號”新進展 首次在量子體系中實現并探測高階非平衡拓撲相 | 科技前線

中國科學技術大學聯合山西大學等，基于可編程超導量子處理器“祖沖之二號”，首次在量子體系中實現并探測了高階非平衡拓撲相。

▲“祖沖之二號”量子處理器

這標志著量子模擬在探索復雜拓撲物態研究領域取得突破，為利用超導量子處理器在量子模擬問題上實現量子優勢奠定了基礎。

拓撲相是近年來凝聚態物理與量子模擬領域的重要研究方向。與傳統拓撲相不同，高階拓撲相在更低維度的邊界上出現了局域態，突破了傳統的體—邊對應關系。

盡管經典超材料已實現高階拓撲相實驗，但在量子體系中實現高階拓撲相是國際前沿的科學挑戰。實現高階拓撲相，為揭示拓撲物態的量子本質提供了窗口，并為基于非阿貝爾編織統計的拓撲量子計算提供了潛在的實現途徑。

拓撲物態研究正在從平衡體系向非平衡體系拓展，成為凝聚態物理的重要前沿方向。非平衡拓撲相表現出平衡體系不具備的特性，如拓撲抽運、動力學拓撲相變及π能量拓撲邊界模等，揭示了拓撲與動力學之間復雜而深刻的內在聯系，為在時間維度利用拓撲保護對量子態進行高精度、高魯棒性的超快操縱提供可能。

然而，二維非平衡高階拓撲相的實驗實現面臨兩個挑戰。一是如何在量子體系中精確設計高階非平衡拓撲哈密頓量；二是缺乏直接探測非平衡拓撲性質的有效方法。

科研團隊基于“祖沖之二號”超導量子處理器的可編程能力，首次在實驗中實現了平衡與非平衡二階拓撲相的量子模擬與探測。

在理論上，團隊提出了針對高階拓撲相的靜態與Floquet量子線路設計方案，解決了在二維超導量子比特陣列中構建高階平衡與非平衡拓撲哈密頓量的關鍵難題，并開發出通用的動力學拓撲測量框架。

在實驗上，團隊建立了系統化的處理器優化方案，通過精密標定，實現了量子比特頻率與耦合強度的動態調控，在6×6量子比特陣列上，成功執行了多達50個Floquet周期的演化操作，首次實現了四種不同類型的非平衡二階拓撲相，并探索了該拓撲相的能譜、動力學行為、拓撲不變量等特征。

上述成果標志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。

論文鏈接：

DOI：10.1126/science.adp6802

來源：中國科學技術大學

責任編輯：侯茜