中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等教授與山西大學(xué)梅鋒教授團(tuán)隊(duì)攜手合作，借助可編程超導(dǎo)量子處理器“祖沖之二號(hào)”，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)并探測(cè)了量子體系中的高階非平衡拓?fù)湎唷＿@一重大成果意味著量子模擬在探索復(fù)雜拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域邁出了關(guān)鍵一步，也為利用超導(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)筑牢了基礎(chǔ)。近日，該研究成果已在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

拓?fù)湎嗍墙陙?lái)凝聚態(tài)物理與量子模擬領(lǐng)域備受關(guān)注的重要研究方向。和傳統(tǒng)拓?fù)湎嘤兴煌?，高階拓?fù)湎嘣诰S度更低的邊界處會(huì)出現(xiàn)局域態(tài)，這對(duì)傳統(tǒng)的體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系提出了挑戰(zhàn)。雖然人們已經(jīng)在經(jīng)典超材料中完成了高階拓?fù)湎嗟膶?shí)驗(yàn)，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)難題。實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗖粌H有助于深入揭示拓?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)算提供了潛在的實(shí)現(xiàn)路徑。

高階拓?fù)湮飸B(tài)是該領(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>

當(dāng)前，拓?fù)湮飸B(tài)的研究正從平衡體系向非平衡體系拓展，成為凝聚態(tài)物理的重要前沿方向。非平衡拓?fù)湎嗑哂衅胶怏w系所不具備的特性，它揭示了拓?fù)渑c動(dòng)力學(xué)之間復(fù)雜且深刻的內(nèi)在聯(lián)系，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了可能。不過(guò)，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)：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；二是缺乏直接探測(cè)非平衡拓?fù)湫再|(zhì)的有效方法。

研究團(tuán)隊(duì)依托“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子處理器的可編程能力，在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了平衡與非平衡二階拓?fù)湎嗟牧孔幽M和探測(cè)。在理論層面，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，還開發(fā)了通用的動(dòng)力學(xué)拓?fù)錅y(cè)量框架。

在實(shí)驗(yàn)方面，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50個(gè)Floquet周期的演化操作，首次實(shí)現(xiàn)了4種不同類型的非平衡二階拓?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得到顯著提升。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adp6802

（原標(biāo)題為《科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)量子體系高階非平衡拓?fù)湎唷罚?/p>

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