中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合山西大學(xué)等，基于可編程超導(dǎo)量子處理器“祖沖之二號(hào)”，首次在量子體系中實(shí)現(xiàn)并探測(cè)了高階非平衡拓?fù)湎?/strong>。

▲“祖沖之二號(hào)”量子處理器

這標(biāo)志著量子模擬在探索復(fù)雜拓?fù)湮飸B(tài)研究領(lǐng)域取得突破，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(shì)奠定了基礎(chǔ)。

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唠A拓?fù)湎嘣诟途S度的邊界上出現(xiàn)了局域態(tài)，突破了傳統(tǒng)的體—邊對(duì)應(yīng)關(guān)系。

盡管經(jīng)典超材料已實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎鄬?shí)驗(yàn)，但在量子體系中實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎嗍菄H前沿的科學(xué)挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)高階拓?fù)湎?，為揭示拓?fù)湮飸B(tài)的量子本質(zhì)提供了窗口，并為基于非阿貝爾編織統(tǒng)計(jì)的拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了潛在的實(shí)現(xiàn)途徑。

拓?fù)湮飸B(tài)研究正在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)出平衡體系不具備的特性，如拓?fù)涑檫\(yùn)、動(dòng)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(dòng)力學(xué)之間復(fù)雜而深刻的內(nèi)在聯(lián)系，為在時(shí)間維度利用拓?fù)浔Ｗo(hù)對(duì)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(yàn)實(shí)現(xiàn)面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)。一是如何在量子體系中精確設(shè)計(jì)高階非平衡拓?fù)涔茴D量；二是缺乏直接探測(cè)非平衡拓?fù)湫再|(zhì)的有效方法。

科研團(tuán)隊(duì)基于“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子處理器的可編程能力，首次在實(shí)驗(yàn)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(cè)。

在理論上，團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)高階拓?fù)湎嗟撵o態(tài)與Floquet量子線路設(shè)計(jì)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)出通用的動(dòng)力學(xué)拓?fù)錅y(cè)量框架。

在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(gè)Floquet周期的演化操作，首次實(shí)現(xiàn)了四種不同類型的非平衡二階拓?fù)湎?，并探索了該拓?fù)湎嗟哪茏V、動(dòng)力學(xué)行為、拓?fù)洳蛔兞康忍卣鳌?/p>

上述成果標(biāo)志著二維可編程量子模擬能力的顯著提升。

論文鏈接：

DOI：10.1126/science.adp6802

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜