近日，我所贾锁堂教授、梅锋教授等，与中国科学技术大学潘建伟教授、彭承志教授、朱晓波教授、龚明教授等，在国际上首次实现并探测了高阶非平衡拓扑物态。相关论文以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题于11月28日发表在国际顶级学术期刊《Science》。中国科学技术大学钱浩然、龚明、我所张佳辉、中国科学技术大学郭少俊为论文共同第一作者；我所梅锋教授、中国科学技术大学朱晓波教授、潘建伟教授为共同通讯作者；主要合作者还包括我所贾锁堂教授、中国科学技术大学陆朝阳教授、以及中国科学技术大学的其他合作者。

拓扑物态超越了以对称性破缺为核心的传统物态分类框架，揭示了物态可由其全局拓扑不变性定义的新范式，被授予2016年诺贝尔物理学奖。高阶拓扑物态作为该领域近年来的重要进展，从根本上深化了拓扑体-边对应原理，揭示出拓扑保护现象可存在于维度更低的嵌套边界中，例如零维拓扑角模。这类受拓扑保护的零能模具有非阿贝尔统计特性，为拓扑保护的量子信息处理提供了全新的物理实现平台。然而，如何在量子比特体系中实现并探测高阶拓扑物态，仍是当前国际上面临的前沿科学挑战。

图1 a: 平衡和高阶非平衡拓扑物态示意图。b: 平衡高阶拓扑物态量子比特阵列。 c: 平衡高阶拓扑不变量、d: 平衡高阶拓扑能谱、e: 平衡高阶拓扑态局域密度探测。

图2 a: 非平衡高阶拓扑物态量子编程线路。b: 非平衡高阶拓扑不变量、 c: 非平衡高阶拓扑能谱、d: 非平衡高阶拓扑局域态密度探测。

与此同时，伴随量子调控技术的不断发展，物态调控研究近年来经历着从平衡态范式向非平衡态范式的深刻转变，研究范畴超越了传统平衡态统计力学与凝聚态物理的理论框架。与由平衡态波函数性质定义的平衡拓扑物态不同，非平衡拓扑物态形成于受外力、周期驱动或量子淬火等非平衡过程，这些过程将系统推离平衡态，从而诱导出平衡态下不存在的新颖动力学序与鲁棒现象，例如拓扑泵浦、拓扑时间晶体、动力学拓扑相变、π能量拓扑边界模、拓扑热化等，为在时间维度利用拓扑保护对量子态进行高精度、高鲁棒性的量子调控开辟了新途径。然而，此类物态无法通过传统的平衡拓扑物态分类框架完整描述，也难以借助常规平衡调控与探测手段进行制备和观测，亟需发展面向非平衡拓扑物态的制备方案、表征理论和探测方法。

研究团队基于可编程“祖冲之2号”超导量子处理器，首次实现了高阶平衡与非平衡拓扑物态。研究团队设计了实现平衡和非平衡高阶拓扑物态的超导比特阵列模型和量子编程线路，发展了表征和探测平衡和非平衡高阶拓扑的手征性量子动力学理论，解决了在可编程量子信息处理器中构建、刻画和探测高阶非平衡拓扑物态的难题；建立了系统化的量子处理器优化方案，通过精密标定实现了量子比特频率与耦合强度的动态调控，在6×6量子比特阵列上成功执行了多达50个弗洛凯周期的量子演化操作，成功实现了四种平衡和非平衡高阶拓扑物态，首次观察到拓扑保护的平衡和非平衡量子比特角模，系统探索了非平衡拓扑特性，包括非平衡拓扑准能谱、非平衡拓扑量子动力学、非平衡拓扑不变量、非平衡拓扑局域态密度等。

该工作标志着量子模拟在探索高阶拓扑和非平衡物态方面取得了重要突破，为下一步利用可编程量子信息处理器在非平衡强关联拓扑物态以及在量子模拟中实现量子优势奠定了关键基础。

该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金、山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、极端光学省部共建协同创新中心，山西省基础研究计划等的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adp6802

初审 | 赵书楠

二审 | 张文学

三审 | 汪丽蓉