中國教育報-中國教育新聞網訊（記者 方夢宇）記者近日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、朱曉波、彭承志、龔明等，與山西大學梅鋒等合作，基于可編程超導量子處理器“祖沖之2號”，首次在量子體系中實現并探測了高階非平衡拓撲相。這一成果標志著量子模擬在探索復雜拓撲物態方向上取得重要突破，為利用超導量子處理器在量子模擬問題上實現量子優勢奠定了基礎。相關論文于11月28日發表于國際學術期刊《科學》上。

拓撲相是近年來凝聚態物理與量子模擬領域的重要研究方向。與傳統拓撲相不同，高階拓撲相在更低維度的邊界上出現了局域態，挑戰了傳統的體-邊對應關系。盡管在經典超材料中已實現高階拓撲相的實驗，但在量子體系中實現高階拓撲相一直是國際前沿的科學挑戰。實現高階拓撲相不僅有助于揭示拓撲物態的量子本質，還為基于非阿貝爾統計拓撲量子計算提供了潛在實現途徑。

進一步，拓撲物態的研究正從平衡體系向非平衡體系拓展，成為凝聚態物理的重要前沿方向。非平衡拓撲相表現出平衡體系所不具備的特性，例如拓撲抽運、動力學拓撲相變及π能量拓撲邊界模等，揭示了拓撲與動力學之間復雜而深刻的內在聯系，從而為在時間維度利用拓撲保護對量子態進行高精度、高魯棒性的超快操縱提供可能。然而，二維非平衡高階拓撲相的實驗實現長期面臨兩大挑戰：其一是如何在量子體系中精確設計高階非平衡拓撲哈密頓量；其二是缺乏直接探測非平衡拓撲性質的有效方法。

研究團隊基于“祖沖之2號”超導量子處理器的可編程能力，首次在實驗中實現了平衡與非平衡二階拓撲相的量子模擬與探測。在理論上，研究團隊提出了針對高階拓撲相的靜態與Floquet量子線路設計方案，解決了在二維超導量子比特陣列中構建高階平衡與非平衡拓撲哈密頓量的關鍵難題，并開發了通用的動力學拓撲測量框架。在實驗上，研究人員建立了系統化的處理器優化方案，通過精密標定，實現了量子比特頻率與耦合強度的動態調控，在6*6量子比特陣列上，成功執行了多達50個Floquet周期的演化操作，首次成功實現了四種不同類型的非平衡二階拓撲相，并系統探索了該拓撲相的能譜、動力學行為、拓撲不變量等特征。

該成果標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，認為其“在以往一維實驗的基礎上取得了重要突破，擴展到二維體系是一次顯著的提升，展示了豐富的實驗能力；所發展的測量與分析非平衡拓撲物態的理論方法具有新穎性和趣味性”。