中科大×山西大學(xué)合作發(fā)表最新Science論文

編輯丨王多魚

排版丨水成文

拓?fù)湎到y(tǒng)通常在其邊緣存在邊界態(tài)。例如，二維拓?fù)浣^緣體具有一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。最近發(fā)現(xiàn)的高階拓?fù)湎啵溥吔鐟B(tài)的維度與原始系統(tǒng)維度的差值可能超過 1。然而，在量子系統(tǒng)中創(chuàng)建這樣的狀態(tài)頗具難度。

2025 年 11 月 27 日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士、朱曉波教授及山西大學(xué)梅鋒教授等，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：Programmable higher-order nonequilibrium topological phases on a superconducting quantum processor 的研究論文。

該研究基于可編程超導(dǎo)量子處理器“祖沖之2號(hào)”，首次在量子體系中實(shí)現(xiàn)并探測(cè)了高階非平衡拓?fù)湎啵℉igher-Order Nonequilibrium Topological Phases，HOTPs）。這一成果標(biāo)志著量子模擬在探索復(fù)雜拓?fù)湮飸B(tài)方向上取得重要突破，為利用超導(dǎo)量子處理器在量子模擬問題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)奠定了基礎(chǔ)。

拓?fù)湎?/strong>（Topological Phase）是近年來(lái)凝聚態(tài)物理與量子模擬領(lǐng)域的重要研究方向。與傳統(tǒng)拓?fù)湎嗖煌唠A拓?fù)湎嘣诟途S度的邊界上出現(xiàn)了局域態(tài)，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系。盡管在經(jīng)典超材料中已實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗟膶?shí)，但在量子體系中實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嘁恢笔菄?guó)際前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗖粌H有助于揭示拓?fù)湮飸B(tài)的量子本質(zhì)，還為基于非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了潛在實(shí)現(xiàn)途徑。

高階拓?fù)湮飸B(tài)作為該領(lǐng)域近年來(lái)的重要進(jìn)展，從根本上深化了拓?fù)潴w-邊對(duì)應(yīng)原理，揭示出拓?fù)浔Ｗo(hù)現(xiàn)象可存在于維度更低的嵌套邊界中，例如零維拓?fù)浣悄?/p>

進(jìn)一步，拓?fù)湮飸B(tài)的研究正從平衡體系向非平衡體系拓展，成為凝聚態(tài)物理的重要前沿方向。非平衡拓?fù)湎啾憩F(xiàn)出平衡體系所不具備的特性，例如拓?fù)涑檫\(yùn)、動(dòng)力學(xué)拓?fù)湎嘧兗唉心芰客負(fù)溥吔缒５龋沂玖送負(fù)渑c動(dòng)力學(xué)之間復(fù)雜而深刻的內(nèi)在聯(lián)系，從而為在時(shí)間維度利用拓?fù)浔Ｗo(hù)對(duì)量子態(tài)進(jìn)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?fù)湎嗟膶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期面臨兩大挑戰(zhàn)：其一是如何在量子體系中精確設(shè)計(jì)高階非平衡拓?fù)涔茴D量；其二是缺乏直接探測(cè)非平衡拓?fù)湫再|(zhì)的有效方法。

實(shí)驗(yàn)在6×6二維比特陣列上實(shí)現(xiàn)周期性驅(qū)動(dòng)

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于非平衡二階拓?fù)湮飸B(tài)準(zhǔn)能譜信息的探測(cè)，與理論預(yù)言結(jié)果一致

研究團(tuán)隊(duì)基于“祖沖之2號(hào)”超導(dǎo)量子處理器的可編程能力，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了平衡與非平衡二階拓?fù)湎嗟牧孔幽M與探測(cè)。在理論上，研究團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)高階拓?fù)湎嗟撵o態(tài)與 Floquet 量子線路設(shè)計(jì)方案，解決了在二維超導(dǎo)量子比特陣列中構(gòu)建高階平衡與非平衡拓?fù)涔茴D量的關(guān)鍵難題，并開發(fā)了通用的動(dòng)力學(xué)拓?fù)錅y(cè)量框架。在實(shí)驗(yàn)上，研究人員建立了系統(tǒng)化的處理器優(yōu)化方案，通過精密標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了量子比特頻率與耦合強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，在 6×6 量子比特陣列上，成功執(zhí)行了多達(dá) 50 個(gè) Floquet 周期的演化操作，首次成功實(shí)現(xiàn)了四種不同類型的非平衡二階拓?fù)湎啵⑾到y(tǒng)探索了該拓?fù)湎嗟哪茏V、動(dòng)力學(xué)行為、拓?fù)洳蛔兞康忍卣鳌?/p>

該成果標(biāo)志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。審稿人高度評(píng)價(jià)這一工作，認(rèn)為這一工作“在以往一維實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上取得了重要突破，擴(kuò)展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ凰l(fā)展的測(cè)量與分析非平衡拓?fù)湮飸B(tài)的理論方法具有新穎性和趣味性。”

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6802