11 月 28 日消息，據(jù)央視報道，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明團隊聯(lián)合山西大學梅鋒團隊，在量子體系中實現(xiàn)并探測高階非平衡拓撲相。

該團隊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)并探測到高階非平衡拓撲相。

▲ 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

這一突破標志著量子模擬在探索復雜拓撲物態(tài)方向取得重要進展，為利用超導量子處理器實現(xiàn)量子優(yōu)勢開辟了新路徑。

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。盡管在經(jīng)典超材料（metamaterials）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(zhì)，還為基于非阿貝爾統(tǒng)計（non-Abelian braiding statistics）的拓撲量子計算提供了潛在實現(xiàn)途徑。

進一步，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，例如拓撲抽運、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(nèi)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)：其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；其二是缺乏直接探測非平衡拓撲性質(zhì)的有效方法。

▲ 實驗在 6x6 二維比特陣列上實現(xiàn)周期性驅(qū)動

研究團隊基于“祖沖之 2 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與探測。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(gòu)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(diào)控，在 6×6 量子比特陣列上，成功執(zhí)行了多達 50 個 Floquet 周期的演化操作，首次成功實現(xiàn)了四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。

▲ 實驗實現(xiàn)了對于非平衡二階拓撲物態(tài)準能譜信息的探測，與理論預言結(jié)果一致。

相關論文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”為題于 11 月 28 日發(fā)表于國際學術期刊《科學》上（附 DOI: 10.1126/science.adp6802）。