拓?fù)溥吘墤B(tài)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(yīng)用價(jià)值。8月27日，浙江大學(xué)物理學(xué)院王浩華、杭州國際科創(chuàng)中心郭秋江超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)鄧東靈團(tuán)隊(duì)在Nature雜志發(fā)表論文“Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors”，在百比特超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了一種新型的“熱”拓?fù)溥吘墤B(tài)：在非無序、存在熱激發(fā)的有限溫量子體系中，拓?fù)溥吘墤B(tài)仍能展現(xiàn)出足夠的穩(wěn)定性。該實(shí)驗(yàn)證明了“預(yù)熱化”機(jī)制能有效抵御熱激發(fā)擾動(dòng)，形成更加穩(wěn)健的長壽命拓?fù)溥吘墤B(tài)。

圖1：“天目2號(hào)”超導(dǎo)量子芯片

這種穩(wěn)健的拓?fù)溥吘墤B(tài)為保護(hù)脆弱的量子信息提供了新可能。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用該邊緣態(tài)構(gòu)造了兩個(gè)邏輯量子比特，成功制備了邏輯貝爾態(tài)，并展示了其對(duì)熱激發(fā)的魯棒性。值得一提的是，該實(shí)驗(yàn)是在浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)自主研制的百比特“天目2號(hào)”超導(dǎo)量子芯片（圖1）上完成的。“天目2號(hào)”量子芯片可操控量子比特?cái)?shù)目超過100個(gè)，同時(shí)支持高保真度的并行量子邏輯門操作，為科學(xué)家探索新的量子信息理論與技術(shù)、模擬新奇的量子物態(tài)提供了可靠平臺(tái)。

01

量子系統(tǒng)的 “熱化”難題

該研究針對(duì)的是凝聚態(tài)物理中的一種新奇物態(tài)——對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(tài)（symmetry-protected topological edge states）。它通常出現(xiàn)于系統(tǒng)的邊界，受到特定對(duì)稱性的保護(hù)，能夠有效地抵抗?jié)M足對(duì)稱性的噪聲，這使它在量子信息方面具備潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而困難在于，拓?fù)溥吘墤B(tài)非常脆弱，通常僅存在于絕對(duì)零度的理想環(huán)境，在真實(shí)的“熱”環(huán)境中，要成為量子世界“皮實(shí)耐造”的成員，它們必須挺過“命運(yùn)”的難關(guān)——熱化。

經(jīng)典世界中的熱化現(xiàn)象隨處可見，比如將冰塊放入一杯溫水中，過一會(huì)冰就全化成了水。微觀世界也有類似現(xiàn)象：在一個(gè)多粒子的封閉系統(tǒng)中，體系的初始狀態(tài)攜帶有一定的局域信息；隨著時(shí)間的推移，那些最初的局域信息將擴(kuò)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(fā)（thermal excitation）看作闖入量子系統(tǒng)的一個(gè)“熱浪”。理論上“熱浪”會(huì)像漣漪一樣波及系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)粒子，并與之發(fā)生相互作用，處于系統(tǒng)邊緣的粒子也不例外。相互作用會(huì)改變粒子的狀態(tài)，系統(tǒng)邊緣態(tài)的初始狀態(tài)也會(huì)被隨之“抹去”（圖2左）。正如尋找室溫超導(dǎo)體對(duì)科學(xué)界的無窮吸引力，尋找能在“熱浪”擾動(dòng)下存活的量子物態(tài)，是一直以來吸引科學(xué)界的夢(mèng)想。

近年來，陸續(xù)有研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表理論方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主流思路是一種叫多體局域化（圖2右）的方法：在系統(tǒng)中引入無序來增加熱激發(fā)移動(dòng)的難度，試圖“原地”束縛熱激發(fā)，阻隔它與其他粒子的相互作用?！斑@一方法依賴于隨機(jī)施加的勢(shì)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的成本比較高。此外，學(xué)術(shù)界對(duì)于多體局域化的穩(wěn)定性也依然存在爭(zhēng)議?！惫锝f。

02

新的策略：涌現(xiàn)的對(duì)稱性

圖2：無預(yù)熱化機(jī)制時(shí)邊緣態(tài)被移動(dòng)的熱激發(fā)破壞（左）；預(yù)熱化機(jī)制下邊緣態(tài)無法與熱激發(fā)相互作用，受到很好的保護(hù)（中）；多體局域化將熱激發(fā)束縛在原地（右）

“多體局域化的策略是限制熱激發(fā)的移動(dòng)，我們則把關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到熱激發(fā)與邊緣態(tài)的相互作用上。”鄧東靈等學(xué)者提出了利用預(yù)熱化（prethermalization）機(jī)制保護(hù)拓?fù)溥吘墤B(tài)的路徑，無需引入無序，而是依靠系統(tǒng)內(nèi)部涌現(xiàn)的對(duì)稱性對(duì)邊緣態(tài)提供額外的保護(hù)，這樣就像為邊緣態(tài)裝上“防護(hù)罩”，抑制其與熱激發(fā)之間的相互作用（圖2中）。

針對(duì)上述理論構(gòu)想，鄧東靈團(tuán)隊(duì)與王浩華、郭秋江團(tuán)隊(duì)（圖4）合作開展了量子模擬實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)在“天目2號(hào)”超導(dǎo)量子芯片上構(gòu)造了一條具有100個(gè)粒子的長鏈，并對(duì)這些粒子之間的耦合強(qiáng)度進(jìn)行了二聚化（dimerization）設(shè)計(jì)。在約270層量子線路演化過程中，研究團(tuán)隊(duì)觀察到了不受熱激發(fā)影響的拓?fù)溥吘墤B(tài)，預(yù)熱化的機(jī)制生效了！實(shí)驗(yàn)顯示，即使長鏈中存在大量的熱激發(fā)，長鏈兩端的拓?fù)溥吘墤B(tài)仍然維持了和其在“零溫”基態(tài)下相似的壽命！這種不需要無序的對(duì)熱擾動(dòng)的魯棒性，意味著一種新的“熱”拓?fù)溥吘墤B(tài)誕生了。

圖3：被熱激發(fā)破壞的邏輯貝爾態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（左、中）；受預(yù)熱化機(jī)制保護(hù)的邏輯貝爾態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（右）

關(guān)于預(yù)熱化系統(tǒng)為何對(duì)熱激發(fā)“免疫”，鄧東靈對(duì)其中的物理機(jī)制進(jìn)行了解釋：相互作用強(qiáng)度的二聚化使系統(tǒng)涌現(xiàn)出U(1)×U(1)對(duì)稱性，奇數(shù)和偶數(shù)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩條子鏈分別遵循粒子數(shù)守恒。這種情況下，熱激發(fā)無法在兩條子鏈之間傳播。當(dāng)熱激發(fā)移動(dòng)到系統(tǒng)邊緣時(shí)只能“原路”返回，從而抑制了和邊緣態(tài)的相互作用。

該研究建立了一種可行的數(shù)字量子模擬方法，為在有限溫度下探索拓?fù)湮镔|(zhì)提供了新的實(shí)驗(yàn)手段。研究團(tuán)隊(duì)用預(yù)熱化的拓?fù)溥吘墤B(tài)進(jìn)一步編碼制備了邏輯貝爾態(tài)（圖3），這為構(gòu)建在有限溫度下抗噪聲的量子存儲(chǔ)提供了新的路徑。

03

國際先進(jìn)的超導(dǎo)量子芯片

“‘天目2號(hào)’是由浙大團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的百比特超導(dǎo)量子芯片?！?/strong>論文共同第一作者、浙江大學(xué)博士生金非童介紹說，“它采用近鄰可調(diào)耦合架構(gòu)，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(shù)分別達(dá)0.9995和0.995，這些關(guān)鍵指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平。”

“就像磚塊與房子的關(guān)系。我們之所以能在實(shí)驗(yàn)上看到穩(wěn)健的拓?fù)溥吘墤B(tài)，離不開浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高水平超導(dǎo)量子芯片?！闭撐墓餐谝蛔髡?、清華大學(xué)博士生蔣颸說，“100個(gè)粒子的規(guī)模很重要，如果鏈不夠長，我們可能就發(fā)現(xiàn)不了這樣有趣的現(xiàn)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(fā)的運(yùn)動(dòng)?！?/strong>

圖4：浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)部分成員。共同通訊作者郭秋江（左），共同一作金非童（中），共同一作朱旭浩（右）

浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建于2010年，是國內(nèi)最早開始超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的科研單位之一，是當(dāng)前國際上為數(shù)不多實(shí)現(xiàn)百比特量子芯片高精度同步調(diào)控的團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)的研究著重于和諧、同步地提升量子芯片的比特?cái)?shù)目、相干時(shí)間和操控精度等多項(xiàng)指標(biāo)，研發(fā)綜合性能優(yōu)秀的超導(dǎo)量子芯片。團(tuán)隊(duì)與合作者利用量子模擬的手段研究了諸多廣受關(guān)注的量子新物態(tài)和新機(jī)制，近年來在國際頂刊Nature和Science發(fā)表論文共4篇。2019年團(tuán)隊(duì)使用20比特超導(dǎo)量子芯片成功實(shí)現(xiàn)全局糾纏操控，刷新了當(dāng)時(shí)固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界記錄；2022年采用全數(shù)字化量子模擬方式實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋾r(shí)間晶體；2022年首次實(shí)現(xiàn)了光的量子拓?fù)鋺B(tài)操控；2023年模擬了量子疤痕、多體局域化等典型的量子多體現(xiàn)象；2024年實(shí)現(xiàn)了斐波那契任意子的模擬，生成了60比特全局糾纏態(tài)。每一步，都見證著理論與實(shí)驗(yàn)?zāi)M攜手在量子物理最前沿的探索。

郭秋江表示：“下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提升超導(dǎo)量子芯片的規(guī)模和性能，以模擬尺度更廣、物理內(nèi)涵更豐富的科學(xué)問題，為科學(xué)應(yīng)用的探索和量子算法的發(fā)展提供基礎(chǔ)平臺(tái)?！?/p>

本文共同第一作者為：金非童（浙江大學(xué)物理學(xué)院博士生）、蔣颸（清華大學(xué)交叉信息研究院博士生）、朱旭浩（浙江大學(xué)物理學(xué)院博士生）。通訊作者為：郭秋江（浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心研究員）、王浩華（浙江大學(xué)物理學(xué)院教授）、鄧東靈（清華大學(xué)交叉信息研究院長聘副教授）。其他主要合作者包括：浙江大學(xué)物理學(xué)院張俊香教授、宋超研究員、王震研究員，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心張鵬飛研究員、李賀康高級(jí)工程師，哈佛大學(xué)Norman Y. Yao教授和Francisco Machado博士后，劍橋大學(xué)Jack Kemp博士后，以及愛荷華州立大學(xué)Thomas Iadecola副教授。本研究中的超導(dǎo)量子芯片在浙江大學(xué)微納加工中心制備，量子芯片測(cè)控電子設(shè)備由杭州邏輯比特科技有限公司提供。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、浙江省自然科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)等的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09476-z

來源 | 浙江大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)