中国科学家在量子体系高阶非平衡拓扑相研究中取得开创性突破

中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等教授与山西大学梅锋教授团队携手合作，借助可编程超导量子处理器“祖冲之二号”，在国际上首次成功实现并探测了量子体系中的高阶非平衡拓扑相。这一重大成果意味着量子模拟在探索复杂拓扑物态领域迈出了关键一步，也为利用超导量子处理器在量子模拟问题上实现量子优势筑牢了基础。近日，该研究成果已在国际顶级学术期刊《科学》上发表。

拓扑相是近年来凝聚态物理与量子模拟领域备受关注的重要研究方向。和传统拓扑相有所不同，高阶拓扑相在维度更低的边界处会出现局域态，这对传统的体-边对应关系提出了挑战。虽然人们已经在经典超材料中完成了高阶拓扑相的实验，但在量子体系中实现高阶拓扑相一直是国际前沿的科学难题。实现高阶拓扑相不仅有助于深入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的实现路径。

高阶拓扑物态是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

当前，拓扑物态的研究正从平衡体系向非平衡体系拓展，成为凝聚态物理的重要前沿方向。非平衡拓扑相具有平衡体系所不具备的特性，它揭示了拓扑与动力学之间复杂且深刻的内在联系，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了可能。不过，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现长期面临两大挑战：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；二是缺乏直接探测非平衡拓扑性质的有效方法。

研究团队依托“祖冲之二号”超导量子处理器的可编程能力，在实验中首次实现了平衡与非平衡二阶拓扑相的量子模拟和探测。在理论层面，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，还开发了通用的动力学拓扑测量框架。

在实验方面，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50个Floquet周期的演化操作，首次实现了4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得到显著提升。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adp6802

（原标题为《科学家首次实现量子体系高阶非平衡拓扑相》）

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