中國科學技術大學教授潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等與山西大學教授梅鋒等合作，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(xiàn)并探測了高階非平衡拓撲相。這一成果標志著量子模擬在探索復雜拓撲物態(tài)方向上取得重要突破，為利用超導量子處理器在量子模擬問題上實現(xiàn)量子優(yōu)勢奠定了基礎。近日，相關研究成果發(fā)表于《科學》。

拓撲相是近年來凝聚態(tài)物理與量子模擬領域的重要研究方向。與傳統(tǒng)拓撲相不同，高階拓撲相在更低維度的邊界上出現(xiàn)了局域態(tài)，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的體-邊對應關系。盡管人們在經典超材料中已實現(xiàn)高階拓撲相的實驗，但在量子體系中實現(xiàn)高階拓撲相一直是國際前沿的科學挑戰(zhàn)。實現(xiàn)高階拓撲相不僅有助于揭示拓撲物態(tài)的量子本質，還為基于非阿貝爾統(tǒng)計的拓撲量子計算提供了潛在實現(xiàn)途徑。

高階拓撲物態(tài)作為該領域近年來的重要進展，從根本上深化了拓撲體-邊對應原理，揭示出拓撲保護現(xiàn)象可存在于維度更低的嵌套邊界中，例如零維拓撲角模

拓撲物態(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。非平衡拓撲相表現(xiàn)出平衡體系所不具備的特性，揭示了拓撲與動力學之間復雜而深刻的內在聯(lián)系，從而為在時間維度利用拓撲保護對量子態(tài)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(xiàn)長期面臨兩大挑戰(zhàn)：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。

研究團隊基于“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(xiàn)了平衡與非平衡二階拓撲相的量子模擬和探測。在理論上，研究團隊提出了針對高階拓撲相的靜態(tài)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(fā)了通用的動力學拓撲測量框架。

在實驗上，研究人員建立了系統(tǒng)化的處理器優(yōu)化方案，通過精密標定，實現(xiàn)了量子比特頻率與耦合強度的動態(tài)調控，在6×6量子比特陣列上，成功執(zhí)行了50個Floquet周期的演化操作，首次成功實現(xiàn)了4種不同類型的非平衡二階拓撲相，并系統(tǒng)探索了該拓撲相的能譜、動力學行為、拓撲不變量等特征。

該成果標志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adp6802

（原標題為《科學家首次實現(xiàn)量子體系高階非平衡拓撲相》）