記者11月28日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、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(xiàn)并探測了高階非平衡拓撲相。這一成果標志著量子模擬在探索復雜拓撲物態(tài)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(xiàn)量子優(yōu)勢奠定了基礎。相關研究成果于11月28日發(fā)表于國際學術期刊《科學》。

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—邊對應關系。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(fā)了通用的動力學拓撲測量框架。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。審稿人認為這一工作：“擴展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實驗能力；所發(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）

來源：科技日報