中国科学技术大学潘建伟、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”，在国际上首次实现并探测了高阶非平衡拓扑物态。该成果标志着超导比特量子模拟在探索高阶拓扑和非平衡物态方面取得重要突破，为未来利用可编程量子处理器在非平衡量子模拟问题上实现量子优势奠定了关键基础。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp6802

相关论文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题于11月28日发表于国际学术期刊Science。

拓扑物态超越了以对称性破缺为核心的传统物态分类框架，揭示了物态可由其全局拓扑不变性定义的新范式，被授予2016年诺贝尔物理学奖。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中，例如零维拓扑角模。这类受拓扑保护的零能模具备非阿贝尔统计特性，为拓扑保护的量子信息处理提供了全新的物理实现平台。然而，如何在量子比特体系中实现并探测高阶拓扑物态，仍是当前国际上面临的前沿科学挑战。

与此同时，伴随量子调控技术的不断发展，物态调控研究近年来经历着从平衡态范式向非平衡态范式的深刻转变。相比基于基态波函数和静态能带结构进行分类的平衡拓扑物态，非平衡拓扑体系主要由含时驱动和量子淬火等动力学过程所主导，这些过程将系统推离平衡态，从而诱导出全新的拓扑现象，例如拓扑泵浦、动力学拓扑相变、π能量拓扑边界模等。非平衡拓扑物态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、高鲁棒性的量子调控开辟了新途径。此类物态难以通过传统的平衡拓扑物态分类框架完整描述，也难以借助常规平衡调控与探测手段进行制备和观测，因此亟需发展面向非平衡拓扑物态的制备方案、表征理论和探测方法。

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高阶平衡与非平衡拓扑物态。在理论上，研究团队设计了实现高阶平衡和非平衡拓扑物态的超导比特量子线路，发展了表征和探测平衡和非平衡高阶拓扑特性的手征性量子动力学理论，解决了在可编程量子处理器中构建、刻画和探测高阶非平衡拓扑物态的难点问题。在实验方面，研究人员建立了系统化的量子处理器优化方案，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周期的量子演化操作，首次成功实现了四种不同类型的非平衡二阶拓扑物态，系统探索了非平衡拓扑特性，包括非平衡拓扑准能谱、非平衡拓扑量子动力学行为、非平衡拓扑不变量、非平衡拓扑态密度等。

该成果标志着二维可编程量子模拟能力的显著提升。审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“在以往一维非平衡拓扑实验的基础上取得了重要突破，扩展到二维非平衡拓扑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。”

（科研部、合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院）