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記者28日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉、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”，首次在量子體系中實現(xiàn)并探測了高階非平衡拓撲相。這一成果標(biāo)志著量子模擬在探索復(fù)雜拓撲物態(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題上實現(xiàn)量子優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于11月28日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

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(yīng)關(guān)系。盡管在經(jīng)典超材料中已實現(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(xué)挑戰(zhàn)，還能為基于非阿貝爾統(tǒng)計的拓撲量子計算提供了潛在實現(xiàn)途徑，成為凝聚態(tài)物理的重要前沿方向。

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(shè)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。

研究團隊基于“祖沖之2號”超導(dǎo)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(shè)計方案，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撲哈密頓量的關(guān)鍵難題，并開發(fā)了通用的動力學(xué)拓撲測量框架。在實驗中，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(biāo)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(xué)行為、拓撲不變量等特征。

該成果標(biāo)志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。審稿人認(rèn)為這一工作：“擴展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實驗?zāi)芰Γ凰l(fā)展的測量與分析非平衡拓撲物態(tài)的理論方法具有新穎性和趣味性?！?/p>

（中國科大供圖）