科学家首次在量子体系中实现并探测高阶非平衡拓扑相

中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等，与山西大学梅锋等合作，基于可编程超导量子处理器“祖冲之2号”，首次在量子体系中实现并探测了高阶非平衡拓扑相（Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases, HOTPs）。这一成果标志着量子模拟在探索复杂拓扑物态方向上取得重要突破，为利用超导量子处理器在量子模拟问题上实现量子优势奠定了基础。相关论文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题11月28日发表于国际学术期刊《科学》。

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。与传统拓扑相不同，高阶拓扑相在更低维度的边界上出现了局域态，挑战了传统的体-边对应关系。尽管在经典超材料中已实现高阶拓扑相的实验[Nature 555, 342 (2018); Nature 555, 346 (2018)]，但在量子体系中实现高阶拓扑相一直是国际前沿的科学挑战。实现高阶拓扑相不仅有助于揭示拓扑物态的量子本质，还为基于非阿贝尔统计的拓扑量子计算提供了潜在实现途径[RMP 80, 1083 (2008); PRL 25, 036801 (2020)]。

图1 高阶拓扑物态作为该领域近年来的重要进展，从根本上深化了拓扑体-边对应原理，揭示出拓扑保护现象可存在于维度更低的嵌套边界中，例如零维拓扑角模

进一步，拓扑物态的研究正从平衡体系向非平衡体系拓展[Nature Reviews Physics 2, 229 (2020)]，成为凝聚态物理的重要前沿方向。非平衡拓扑相表现出平衡体系所不具备的特性，例如拓扑抽运、动力学拓扑相变及π能量拓扑边界模等，揭示了拓扑与动力学之间复杂而深刻的内在联系，从而为在时间维度利用拓扑保护对量子态进行高精度、高鲁棒性的超快操纵提供可能。然而，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现长期面临两大挑战：其一是如何在量子体系中精确设计高阶非平衡拓扑哈密顿量；其二是缺乏直接探测非平衡拓扑性质的有效方法。

图2 实验在6x6二维比特阵列上实现周期性驱动

图3 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

研究团队基于“祖冲之2号”超导量子处理器的可编程能力，首次在实验中实现了平衡与非平衡二阶拓扑相的量子模拟与探测。在理论上，研究团队提出了针对高阶拓扑相的静态与Floquet量子线路设计方案，解决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关键难题，并开发了通用的动力学拓扑测量框架。在实验上，研究人员建立了系统化的处理器优化方案，通过精密标定，实现了量子比特频率与耦合强度的动态调控，在6×6量子比特阵列上，成功执行了多达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，并系统探索了该拓扑相的能谱、动力学行为、拓扑不变量等特征。

该成果标志着二维可编程量子模拟能力的显著提升。审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“在以往一维实验的基础上取得了重要突破，扩展到二维体系是一次显著的提升，展示了丰富的实验能力；所发展的测量与分析非平衡拓扑物态的理论方法具有新颖性和趣味性。”

该研究得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委员会、中国科学院及安徽省、上海市、山西省、山东省、合肥市、济南市等的支持。

论文DOI：10.1126/science.adp6802