中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等，與山西大學(xué)梅鋒等合作，基于可編程超導(dǎo)量子處理器“祖沖之2號(hào)”，首次在量子體系中實(shí)現(xiàn)并探測(cè)了高階非平衡拓?fù)湎啵℉igher-Order Nonequilibrium Topological Phases, HOTPs）。這一成果標(biāo)志著量子模擬在探索復(fù)雜拓?fù)湮飸B(tài)方向上取得重要突破，為利用超導(dǎo)量子處理器在量子模擬問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢(shì)奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)論文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”為題11月28日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
拓?fù)湎嗍墙陙?lái)凝聚態(tài)物理與量子模擬領(lǐng)域的重要研究方向。與傳統(tǒng)拓?fù)湎嗖煌唠A拓?fù)湎嘣诟途S度的邊界上出現(xiàn)了局域態(tài)，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系。盡管在經(jīng)典超材料中已實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗟膶?shí)驗(yàn)[Nature 555, 342 (2018); Nature 555, 346 (2018)]，但在量子體系中實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嘁恢笔菄?guó)際前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗖粌H有助于揭示拓?fù)湮飸B(tài)的量子本質(zhì)，還為基于非阿貝爾統(tǒng)計(jì)的拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了潛在實(shí)現(xiàn)途徑[RMP 80, 1083 (2008); PRL 25, 036801 (2020)]。
圖1 高階拓?fù)湮飸B(tài)作為該領(lǐng)域近年來(lái)的重要進(jìn)展，從根本上深化了拓?fù)潴w-邊對(duì)應(yīng)原理，揭示出拓?fù)浔Ｗo(hù)現(xiàn)象可存在于維度更低的嵌套邊界中，例如零維拓?fù)浣悄?/p>
進(jìn)一步，拓?fù)湮飸B(tài)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(tài)物理的重要前沿方向。非平衡拓?fù)湎啾憩F(xiàn)出平衡體系所不具備的特性，例如拓?fù)涑檫\(yùn)、動(dòng)力學(xué)拓?fù)湎嘧兗唉心芰客負(fù)溥吔缒５?，揭示了拓?fù)渑c動(dòng)力學(xué)之間復(fù)雜而深刻的內(nèi)在聯(lián)系，從而為在時(shí)間維度利用拓?fù)浔Ｗo(hù)對(duì)量子態(tài)進(jìn)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?fù)湎嗟膶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期面臨兩大挑戰(zhàn)：其一是如何在量子體系中精確設(shè)計(jì)高階非平衡拓?fù)涔茴D量；其二是缺乏直接探測(cè)非平衡拓?fù)湫再|(zhì)的有效方法。
圖2 實(shí)驗(yàn)在6x6二維比特陣列上實(shí)現(xiàn)周期性驅(qū)動(dòng)
圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于非平衡二階拓?fù)湮飸B(tài)準(zhǔn)能譜信息的探測(cè)，與理論預(yù)言結(jié)果一致
研究團(tuán)隊(duì)基于“祖沖之2號(hào)”超導(dǎo)量子處理器的可編程能力，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了平衡與非平衡二階拓?fù)湎嗟牧孔幽M與探測(cè)。在理論上，研究團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)高階拓?fù)湎嗟撵o態(tài)與Floquet量子線(xiàn)路設(shè)計(jì)方案，解決了在二維超導(dǎo)量子比特陣列中構(gòu)建高階平衡與非平衡拓?fù)涔茴D量的關(guān)鍵難題，并開(kāi)發(fā)了通用的動(dòng)力學(xué)拓?fù)錅y(cè)量框架。在實(shí)驗(yàn)上，研究人員建立了系統(tǒng)化的處理器優(yōu)化方案，通過(guò)精密標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了量子比特頻率與耦合強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，在6×6量子比特陣列上，成功執(zhí)行了多達(dá)50個(gè)Floquet周期的演化操作，首次成功實(shí)現(xiàn)了四種不同類(lèi)型的非平衡二階拓?fù)湎啵⑾到y(tǒng)探索了該拓?fù)湎嗟哪茏V、動(dòng)力學(xué)行為、拓?fù)洳蛔兞康忍卣鳌?/p>
該成果標(biāo)志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。審稿人高度評(píng)價(jià)這一工作，認(rèn)為這一工作“在以往一維實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上取得了重要突破，擴(kuò)展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；所發(fā)展的測(cè)量與分析非平衡拓?fù)湮飸B(tài)的理論方法具有新穎性和趣味性?！?/p>
該研究得到國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院及安徽省、上海市、山西省、山東省、合肥市、濟(jì)南市等的支持。
論文DOI：10.1126/science.adp6802
（科研部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院）
