科學家首次在量子體系中實現并探測高階非平衡拓撲相

中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等，與山西大學梅鋒等合作，基于可編程超導量子處理器“祖沖之2號”，首次在量子體系中實現并探測了高階非平衡拓撲相（Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases, HOTPs）。這一成果標志著量子模擬在探索復雜拓撲物態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量子優勢奠定了基礎。相關論文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”為題11月28日發表于國際學術期刊《科學》。

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，挑戰了傳統的體-邊對應關系。盡管在經典超材料中已實現高階拓撲相的實驗[Nature 555, 342 (2018); Nature 555, 346 (2018)]，但在量子體系中實現高階拓撲相一直是國際前沿的科學挑戰。實現高階拓撲相不僅有助于揭示拓撲物態的量子本質，還為基于非阿貝爾統計的拓撲量子計算提供了潛在實現途徑[RMP 80, 1083 (2008); PRL 25, 036801 (2020)]。

圖1 高階拓撲物態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，揭示出拓撲保護現象可存在于維度更低的嵌套邊界中，例如零維拓撲角模

進一步，拓撲物態的研究正從平衡體系向非平衡體系拓展[Nature Reviews Physics 2, 229 (2020)]，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在聯系，從而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長期面臨兩大挑戰：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的有效方法。

圖2 實驗在6x6二維比特陣列上實現周期性驅動

圖3 實驗實現了對于非平衡二階拓撲物態準能譜信息的探測，與理論預言結果一致

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，首次成功實現了四種不同類型的非平衡二階拓撲相，并系統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。審稿人高度評價這一工作，認為這一工作“在以往一維實驗的基礎上取得了重要突破，擴展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實驗能力；所發展的測量與分析非平衡拓撲物態的理論方法具有新穎性和趣味性。”

該研究得到國家科技重大專項、國家自然科學基金委員會、中國科學院及安徽省、上海市、山西省、山東省、合肥市、濟南市等的支持。

論文DOI：10.1126/science.adp6802