高阶非平衡拓扑相首次在量子体系中实现
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2025-12-01 18:10:09
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来源：科技日报
科技日报合肥11月30日电（记者 吴长锋）记者11月30日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等，与山西大学梅锋等合作，基于可编程超导量子处理器“祖冲之2号”，首次在量子体系中实现并探测了高阶非平衡拓扑相。这一成果标志着量子模拟在探索复杂拓扑物态方向上取得重要突破，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。相关成果11月28日发表于国际学术期刊《科学》。
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，挑战了传统的体-边对应关系。尽管在经典超材料中已实现高阶拓扑相的实验，但在量子体系中实现高阶拓扑相不仅是国际前沿的科学挑战，还能为基于非阿贝尔统计的拓扑量子计算提供潜在实现途径，成为凝聚态物理的重要前沿方向。
然而，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现长期面临两大挑战：其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；其二是缺乏直接探测非平衡拓扑性质的有效方法。
研究团队基于“祖冲之2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，研究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，并开发了通用的动力学拓扑测量框架。在实验中，研究人员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，首次成功实现了4种不同类型的非平衡二阶拓扑相，并系统探索了该拓扑相的能谱、动力学行为、拓扑不变量等特征。
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