科学家利用超导量子处理器首次在量子体系中实现并探测高阶非平衡拓扑相

近日，中国科学技术大学联合山西大学等，基于可编程超导量子处理器“祖冲之二号”，首次在量子体系中实现并探测了高阶非平衡拓扑相。这标志着量子模拟在探索复杂拓扑物态研究领域取得突破，为利用超导量子处理器在量子模拟问题上实现量子优势奠定了基础。

拓扑相是近年来凝聚态物理与量子模拟领域的重要研究方向。与传统拓扑相不同，高阶拓扑相在更低维度的边界上出现了局域态，突破了传统的体—边对应关系。

尽管经典超材料已实现高阶拓扑相实验，但在量子体系中实现高阶拓扑相是国际前沿的科学挑战。实现高阶拓扑相，为揭示拓扑物态的量子本质提供了窗口，并为基于非阿贝尔编织统计的拓扑量子计算提供了潜在的实现途径。

拓扑物态研究正在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。非平衡拓扑相表现出平衡体系不具备的特性，如拓扑抽运、动力学拓扑相变及π能量拓扑边界模等，揭示了拓扑与动力学之间复杂而深刻的内在联系，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可能。

然而，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现面临两个挑战。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。

科研团队基于“祖冲之二号”超导量子处理器的可编程能力，首次在实验中实现了平衡与非平衡二阶拓扑相的量子模拟与探测。

在理论上，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，并开发出通用的动力学拓扑测量框架。

在实验上，团队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，成功执行了多达50个Floquet周期的演化操作，首次实现了四种不同类型的非平衡二阶拓扑相，并探索了该拓扑相的能谱、动力学行为、拓扑不变量等特征。

上述成果标志着二维可编程量子模拟能力的显著提升。

11月28日，相关研究成果发表在《科学》（Science）上。

高阶拓扑物态作为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，如零维拓扑角模

实验在6×6二维比特阵列上实现周期性驱动

实验实现了对于非平衡二阶拓扑物态准能谱信息的探测，与理论预言结果一致