中国科大实现量子体系高阶非平衡拓扑相的重大突破

11月28日，大皖新闻记者从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等学者牵头合作，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（HOTPs）。这一成就标志着量子模拟在探索复杂拓扑物态方向上取得了重要突破，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。相关论文于11月28日发表于国际学术期刊《科学》上。

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，挑战了传统的体-边对应关系。在量子体系中实现高阶拓扑相一直是国际前沿的科学挑战。实现高阶拓扑相不仅有助于揭示拓扑物态的量子本质，还为基于非阿贝尔统计的拓扑量子计算提供了潜在实现途径。

非平衡拓扑相的研究前景

记者了解到，拓扑物态的研究正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所不具备的特性，揭示出拓扑与动力学之间复杂而深刻的内在联系，从而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。

“祖冲之2号”的突破性应用

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。该成果标志着二维可编程量子模拟能力的显著提升。

《科学》审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“在以往一维实验的基础上取得了重要突破，扩展到二维体系是一次显著的提升，展示了丰富的实验能力；所发展的测量与分析非平衡拓扑物态的理论方法具有新颖性和趣味性。”

未来的研究方向与应用

这一突破不仅为量子模拟的未来研究提供了新的思路，也为拓扑量子计算的实际应用铺平了道路。专家认为，随着技术的不断进步，量子计算机在处理复杂问题上的潜力将进一步释放。

未来，研究团队计划继续探索高阶非平衡拓扑相在其他量子体系中的应用，并尝试将这些研究成果转化为实际技术应用。这一系列研究将对量子计算和量子信息科学的发展产生深远影响。

大皖新闻记者 魏鑫鑫