拓撲邊緣態作為量子世界最為迷人的“景觀”之一，在量子信息中具有重要的應用價值。8月27日，浙江大學物理學院王浩華、杭州國際科創中心郭秋江超導量子計算團隊聯合清華大學鄧東靈團隊在《自然》發表最新研究論文，在百比特超導量子芯片上實現了一種新型的“熱”拓撲邊緣態：在非無序、存在熱激發的有限溫量子體系中，拓撲邊緣態仍能展現出足夠的穩定性。
“天目2號”超導量子芯片。（浙大供圖）
“該實驗證明了“預熱化”機制能有效抵御熱激發擾動，形成更加穩健的長壽命拓撲邊緣態。”論文通訊作者郭秋江告訴《中國科學報》，這種穩健的拓撲邊緣態為保護脆弱的量子信息提供了新可能。
研究團隊進一步利用該邊緣態構造了兩個邏輯量子比特，成功制備了邏輯貝爾態，并展示了其對熱激發的魯棒性。值得一提的是，該實驗是在浙江大學超導量子計算團隊自主研制的百比特“天目2號”超導量子芯片上完成的。“天目2號”量子芯片可操控量子比特數目超過100個，同時支持高保真度的并行量子邏輯門操作，為科學家探索新的量子信息理論與技術、模擬新奇的量子物態提供了可靠平臺。
量子系統的“熱化”難題
論文通訊作者鄧東靈介紹說，該研究針對的是凝聚態物理中的一種新奇物態——對稱性保護的拓撲邊緣態，它通常出現于系統的邊界，受到特定對稱性的保護，能夠有效地抵抗滿足對稱性的噪聲，這使它在量子信息方面具備潛在的應用價值。
然而困難在于，拓撲邊緣態非常脆弱，通常僅存在于絕對零度的理想環境，在真實的“熱”環境中，要成為量子世界“皮實耐造”的成員，它們必須挺過“命運”的難關——熱化。
經典世界中的熱化現象隨處可見，比如將冰塊放入一杯溫水中，過一會兒冰就全化成了水。微觀世界也有類似現象：在一個多粒子的封閉系統中，體系的初始狀態攜帶有一定的局域信息；隨著時間的推移，那些最初的局域信息將擴散到所有粒子中，像一頁被涂亂的筆記，無法辨別最初的字跡。
作為熱化的推手，我們不妨把熱激發（thermal excitation）看作闖入量子系統的一個“熱浪”。理論上“熱浪”會像漣漪一樣波及系統內的每個粒子，并與之發生相互作用，處于系統邊緣的粒子也不例外。相互作用會改變粒子的狀態，系統邊緣態的初始狀態也會被隨之“抹去”。正如尋找室溫超導體對科學界的無窮吸引力，尋找能在“熱浪”擾動下存活的量子物態，是一直以來吸引科學界的夢想。
近年來，陸續有研究團隊發表理論方案與實驗結果。主流思路是一種叫多體局域化的方法：在系統中引入無序來增加熱激發移動的難度，試圖“原地”束縛熱激發，阻隔它與其他粒子的相互作用。
“這一方法依賴于隨機施加的勢場，實驗實現的成本比較高。此外，學術界對于多體局域化的穩定性也依然存在爭議。”郭秋江說。
新的策略：涌現的對稱性
“多體局域化的策略是限制熱激發的移動，我們則把關注點轉移到熱激發與邊緣態的相互作用上。”鄧東靈等學者提出了利用預熱化（prethermalization）機制保護拓撲邊緣態的路徑，無需引入無序，而是依靠系統內部涌現的對稱性對邊緣態提供額外的保護，這樣就像為邊緣態裝上“防護罩”，抑制其與熱激發之間的相互作用。
針對上述理論構想，研究團隊合作開展了量子模擬實驗。研究團隊在“天目2號”超導量子芯片上構造了一條具有100個粒子的長鏈，并對這些粒子之間的耦合強度進行了二聚化（dimerization）設計。在約270層量子線路演化過程中，研究團隊觀察到了不受熱激發影響的拓撲邊緣態，預熱化的機制生效了。實驗顯示，即使長鏈中存在大量的熱激發，長鏈兩端的拓撲邊緣態仍然維持了和其在“零溫”基態下相似的壽命。這種不需要無序的對熱擾動的魯棒性，意味著一種新的“熱”拓撲邊緣態誕生了。
關于預熱化系統為何對熱激發“免疫”，鄧東靈對其中的物理機制進行了解釋：相互作用強度的二聚化使系統涌現出U(1)×U(1)對稱性，奇數和偶數格點對應的兩條子鏈分別遵循粒子數守恒。這種情況下，熱激發無法在兩條子鏈之間傳播。當熱激發移動到系統邊緣時只能“原路”返回，從而抑制了和邊緣態的相互作用。
該研究建立了一種可行的數字量子模擬方法，為在有限溫度下探索拓撲物質提供了新的實驗手段。研究團隊用預熱化的拓撲邊緣態進一步編碼制備了邏輯貝爾態，這為構建在有限溫度下抗噪聲的量子存儲提供了新的路徑。
國際先進的超導量子芯片
“天目2號”是由浙大團隊自主研發的百比特超導量子芯片。”論文共同第一作者、浙江大學博士生金非童介紹說，“它采用近鄰可調耦合架構，具備很高的編程靈活度，同步單/雙量子比特門保真度中位數分別達0.9995和0.995，這些關鍵指標均達到國際先進水平。”
“就像磚塊與房子的關系。我們之所以能在實驗上看到穩健的拓撲邊緣態，離不開浙江大學團隊研發的高水平超導量子芯片。”論文共同第一作者、清華大學博士生蔣颸說，“100個粒子的規模很重要，如果鏈不夠長，我們可能就發現不了這樣有趣的現象。操控精度也很重要，如果精度不夠高，可能根本無法看到熱激發的運動。”
浙江大學超導量子計算團隊創建于2010年，是國內最早開始超導量子計算實驗研究的科研單位之一，是當前國際上為數不多實現百比特量子芯片高精度同步調控的團隊。
郭秋江表示，“下一步，團隊將繼續提升超導量子芯片的規模和性能，以模擬尺度更廣、物理內涵更豐富的科學問題，為科學應用的探索和量子算法的發展提供基礎平臺。”
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09476-z
本文鏈接：中國學者在百比特超導芯片上實現新型拓撲邊緣態http://m.sq15.cn/show-11-25306-0.html
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