近日，山西大學(xué)光量子技術(shù)與器件全國重點實驗室、激光光譜研究所的賈鎖堂教授和梅鋒教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授、彭承志教授、朱曉波教授及龔明教授合作，在國際上首次實現(xiàn)并探測了高階非平衡拓?fù)湮飸B(tài)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science》雜志上。

拓?fù)湮飸B(tài)超越了以對稱性破缺為核心的傳統(tǒng)物態(tài)分類框架，揭示了物態(tài)可由其全局拓?fù)洳蛔冃远x的新范式。高階拓?fù)湮飸B(tài)作為該領(lǐng)域近年來的重要進(jìn)展，深化了拓?fù)潴w-邊對應(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?。這類受拓?fù)浔Ｗo(hù)的零能模具有非阿貝爾統(tǒng)計特性，為拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子信息處理提供了全新的物理實現(xiàn)平臺。然而，在量子比特體系中實現(xiàn)并探測高階拓?fù)湮飸B(tài)依然是當(dāng)前國際上的前沿科學(xué)挑戰(zhàn)。

隨著量子調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，物態(tài)調(diào)控研究正從平衡態(tài)范式向非平衡態(tài)范式轉(zhuǎn)變，研究范疇超越了傳統(tǒng)平衡態(tài)統(tǒng)計力學(xué)與凝聚態(tài)物理的理論框架。非平衡拓?fù)湮飸B(tài)形成于受外力、周期驅(qū)動或量子淬火等過程，這些過程將系統(tǒng)推離平衡態(tài)，從而誘導(dǎo)出新穎的動力學(xué)序與魯棒現(xiàn)象，如拓?fù)浔闷?、拓?fù)鋾r間晶體、動力學(xué)拓?fù)湎嘧兊?。此類物態(tài)無法通過傳統(tǒng)的平衡拓?fù)湮飸B(tài)分類框架完整描述，也難以借助常規(guī)平衡調(diào)控與探測手段進(jìn)行制備和觀測，亟需發(fā)展面向非平衡拓?fù)湮飸B(tài)的制備方案、表征理論和探測方法。

研究團(tuán)隊基于可編程“祖沖之2號”超導(dǎo)量子處理器，設(shè)計了實現(xiàn)平衡和非平衡高階拓?fù)湮飸B(tài)的超導(dǎo)比特陣列模型和量子編程線路，發(fā)展了表征和探測平衡和非平衡高階拓?fù)涞氖终餍粤孔觿恿W(xué)理論，解決了在可編程量子信息處理器中構(gòu)建、刻畫和探測高階非平衡拓?fù)湮飸B(tài)的難題。通過精密標(biāo)定實現(xiàn)了量子比特頻率與耦合強度的動態(tài)調(diào)控，在6×6量子比特陣列上成功執(zhí)行了多達(dá)50個弗洛凱周期的量子演化操作，成功實現(xiàn)了四種平衡和非平衡高階拓?fù)湮飸B(tài)，首次觀察到拓?fù)浔Ｗo(hù)的平衡和非平衡量子比特角模，系統(tǒng)探索了非平衡拓?fù)涮匦?，包括非平衡拓?fù)錅?zhǔn)能譜、非平衡拓?fù)淞孔觿恿W(xué)、非平衡拓?fù)洳蛔兞俊⒎瞧胶馔負(fù)渚钟驊B(tài)密度等。

這項工作標(biāo)志著量子模擬在探索高階拓?fù)浜头瞧胶馕飸B(tài)方面取得了重要突破，為下一步利用可編程量子信息處理器在非平衡強關(guān)聯(lián)拓?fù)湮飸B(tài)以及在量子模擬中實現(xiàn)量子優(yōu)勢奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。