中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學(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(shí)現(xiàn)并探測了高階非平衡拓?fù)湎唷＿@一成果標(biāo)志著量子模擬在探索復(fù)雜拓?fù)湮飸B(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(shí)現(xiàn)量子優(yōu)勢奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)論文于11月28日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

拓?fù)湎嗍墙陙砟蹜B(tài)物理與量子模擬領(lǐng)域的重要研究方向。與傳統(tǒng)拓?fù)湎嗖煌?，高階拓?fù)湎嘣诟途S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(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗟膶?shí)驗，但在量子體系中實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嘁恢笔菄H前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗖粌H有助于揭示拓?fù)湮飸B(tài)的量子本質(zhì)，還為基于非阿貝爾統(tǒng)計拓?fù)淞孔佑嬎闾峁┝藵撛趯?shí)現(xiàn)途徑。

進(jìn)一步，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)湎啾憩F(xiàn)出平衡體系所不具備的特性，例如拓?fù)涑檫\(yùn)、動力學(xué)拓?fù)湎嘧兗唉心芰客負(fù)溥吔缒５?，揭示了拓?fù)渑c動力學(xué)之間復(fù)雜而深刻的內(nèi)在聯(lián)系，從而為在時間維度利用拓?fù)浔Ｗo(hù)對量子態(tài)進(jìn)行高精度、高魯棒性的超快操縱提供可能。然而，二維非平衡高階拓?fù)湎嗟膶?shí)驗實(shí)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?fù)涔茴D量；其二是缺乏直接探測非平衡拓?fù)湫再|(zhì)的有效方法。

研究團(tuán)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(shí)驗中實(shí)現(xiàn)了平衡與非平衡二階拓?fù)湎嗟牧孔幽M與探測。在理論上，研究團(tuán)隊提出了針對高階拓?fù)湎嗟撵o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?fù)涔茴D量的關(guān)鍵難題，并開發(fā)了通用的動力學(xué)拓?fù)錅y量框架。在實(shí)驗上，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(shí)現(xiàn)了量子比特頻率與耦合強(qiáng)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(dá)50個Floquet周期的演化操作，首次成功實(shí)現(xiàn)了四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的顯著提升。審稿人高度評價這一工作，認(rèn)為其“在以往一維實(shí)驗的基礎(chǔ)上取得了重要突破，擴(kuò)展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實(shí)驗?zāi)芰Γ凰l(fā)展的測量與分析非平衡拓?fù)湮飸B(tài)的理論方法具有新穎性和趣味性”。