我国科学家在量子系统中率先实现并观测高阶非平衡拓扑态
11月28日，央视新闻报道，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志与龚明团队联合山西大学梅锋团队，在量子系统中成功实现并探测到高阶非平衡拓扑相。
该团队依托可编程超导量子处理器“祖冲之二号”，首次在量子体系中观测到此类高阶拓扑态。
▲ 高阶拓扑物态是近年来凝聚态物理领域的热点之一，其突破性在于拓展了传统的体-边对应原理，揭示出拓扑保护可以延伸至更低维的边界，如零维的拓扑角态。
这项成果标志着量子模拟在复杂拓扑物态研究方面迈出了关键一步，同时为在超导量子系统中实现量子优越性提供了新的可能。
近年来，拓扑相研究已成为凝聚态物理和量子模拟领域的重要课题。不同于常规拓扑相，高阶拓扑相在更低维度的边界中表现出局域态，突破了传统体-边关系的限制。虽然高阶拓扑相已在经典超材料中实现，但在量子体系中进行验证一直是国际科学界的重大挑战。实现高阶拓扑相不仅有助于理解拓扑物态的量子特性，也为基于非阿贝尔编织统计的拓扑量子计算提供了潜在的物理平台。
当前，拓扑物态的研究正逐步从平衡体系拓展至非平衡体系，成为凝聚态物理的重要前沿方向。非平衡拓扑相展现出一系列平衡体系所不具备的物理特性，如拓扑抽运、动态拓扑相变和 π 能量边界态等。这些现象揭示了拓扑结构与系统动力学之间深刻且复杂的联系，为在时间维度上利用拓扑保护实现高精度、高鲁棒性的量子态操控提供了新思路。然而，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现面临两个核心难题：一是如何在量子系统中精准构建高阶非平衡拓扑哈密顿量，二是缺乏有效的非平衡拓扑特性检测手段。
▲ 实验中采用了 6×6 的二维量子比特阵列进行周期性驱动。
研究团队基于“祖冲之二号”超导量子处理器的可编程优势，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。在理论层面，他们提出了适用于高阶拓扑相的静态与 Floquet 量子线路设计方案，攻克了在二维超导量子比特阵列中构建高阶拓扑哈密顿量的关键技术难题，并开发了适用于动力学拓扑性质的测量框架。
实验方面，研究人员构建了系统化的处理器优化流程，通过精确标定实现了对量子比特频率和耦合强度的动态控制。在 6×6 的量子比特阵列上，实验执行了多达 50 个 Floquet 周期的演化过程，成功实现四种不同类型的非平衡二阶拓扑相，并系统地分析了其能谱、动力学行为及拓扑不变量等关键属性。
▲ 实验成功获取了非平衡二阶拓扑态的准能谱信息，与理论预测高度一致。
相关研究成果以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题，于 11 月 28 日发表在《科学》期刊上（DOI: 10.1126/science.adp6802）。