中国学者在百比特超导芯片上实现新型拓扑边缘态

【导语】8月27日，浙江大学王浩华、郭秋江团队联合清华大学邓东灵团队在Nature发表重要论文，于百比特“天目2号”超导量子芯片上实现新型“热”拓扑边缘态，证明“预热化”机(jī)制(zhì)可(kě)抵御热激发扰动，为保护量子信息提供新可能。该研究建立可行数(shù)字(zì)量(liàng)子模拟方法，为探索拓扑物质提供新手段。

拓扑边缘(yuán)态(tài)作(zuò)为(wèi)量(liàng)子世界最为迷人的“景观”之一，在量子信息中具有重要的应用价值。

8月27日，浙江大学物理学院王浩华、杭州国际科创中心郭秋江(jiāng)超(chāo)导(dǎo)量子计算团队联合清华大学邓东灵团队在Nature杂志发表(biǎo)论(lùn)文“Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors”，在百比特超导量子芯片上实现了一种新型的“热”拓扑边缘态：在非无序、存在热激发的有限温量子体系中，拓扑边缘态仍能展现出足够的稳定性。该实验证明了“预热化”机制能有效抵御热激发扰动，形成更加稳健的长寿命拓扑边缘态。

图1：“天目2号”超导量子芯片 本文图片均由通讯员供图这种稳健的拓扑边缘态为保护脆弱的量子信息提供了新可能。研究团队进一步(bù)利(lì)用(yòng)该(gāi)边缘态构造了两个逻辑量子比特，成功制备了逻辑贝尔态，并展示了其对热激发的鲁棒性。

值得一提的是，该实验是在浙江大学超导量子计算团队自主研制的百比特“天目2号”超导量子芯片（图1）上完成的。“天目2号”量子芯片可操控量子比特数目超过100个，同时支持高保真度的并行量子逻辑门操作，为科学家探索新的量子信息理论与技术、模拟新奇的量子物态提供了可靠平台。

量子系统的“热化”难题

该研究针对的是凝聚态物理中的一种新奇物态——对称性保护的拓扑边缘态（symmetry-protected topological edge states）。它通常出现于系统的边界，受到特定对称性的保护，能够有效地抵抗满足对称性的噪声，这使它在量子信息方面具备潜在的应用价值。

然而困难在于，拓扑边缘态非常脆弱，通常仅存在于绝对零度的理想环境，在真实的“热”环境中，要成为量子世界“皮实耐造”的成员，它们必须挺过“命运”的难关——热化。

经典世界中的热化现象随处可见，比如将冰块放入一杯温水中，过一会冰就全化成了水。微观世界也有类似现象：在一个多粒子的封闭系统中，体系的初始状态携带有一定的局域信息；随着时间的推移，那些最初的局域信息将扩散到所有粒子中，像一页被涂乱的笔记，无法辨别最初的字迹。

作为热化的推手，我们不妨把热激发（thermal excitation）看作闯入量子系统的一个“热浪”。理论上“热浪”会像涟漪一样波及系统内的每个粒子，并与之发生相互作用，处于系统边缘的粒子也不例外。相互作用会改变粒子的状态，系统边缘态的初始状态也会被随之“抹去”（图2左）。正如寻找室温超导体对科学界的无穷吸引力，寻找能在“热浪”扰动下存活的量子物态，是一直以来吸引科学界的梦想。

近年来，陆续有研究团队发表理论方案与实验结果。主流思路是一种叫多体局域化（图2右）的方法：在系统中引入无序来增加热激发移动的难度，试图“原地”束缚热激发，阻隔它与其他粒子的相互作用。“这一方法依赖于随机施加的势场，实验实现的成本比较高。此外，学术界对于多体局域化的稳定性也依然存在争议。”郭秋江说。

新的策略：涌现的对称性

图2：无预热化机制时边缘态被移动的热激发破坏（左）；预热化机制下边缘态无法与热激发相互作用，受到很好的保护（中）；多体局域化将热激发束缚在原地（右）“多体局域化(huà)的策略是限制热激发的移动，我们则把关注点转移到热激发与边缘态的相互作用上。”邓东灵等学者提出了利用预热化（prethermalization）机制保护拓扑边缘态的路径，无需引入无序，而是依靠系统内部涌现的对称性对边缘态提供额外的保护，这样就像为边缘态装上“防护罩”，抑制其与热激发之间的相互作用（图2中）。

针对上述理论构想，邓东灵团队与王浩华、郭秋江团队（图4）合作开展了量子模拟实验。研究团队在“天目2号”超导量子芯片上构造了一条具有100个粒子的长链，并对这些粒子之间的耦(ǒu)合(hé)强度进行了二聚化（dimerization）设计。

在约270层量子线路演化过程中，研究团队观察到了不受热激发影响的拓扑边缘态，预热化的机制生效了！实验显示，即使长链中存在大量的热激发，长链两端的拓扑边缘态仍然维持了和其在“零温”基态下相似的寿命！这种不需要无序的对热扰动的鲁棒性，意味着一种新的“热”拓扑边缘态诞生了。

图3：被热激发破坏的逻辑贝尔态实验结果（左、中）；受预热化机制保护的逻辑贝尔态实验结果（右）关于预热化系统为何对热激发“免疫”，邓东灵对(duì)其(qí)中(zhōng)的(de)物(wù)理(lǐ)机(jī)制(zhì)进(jìn)行(xíng)了解释：相互作用强度的二聚化使系统涌现出U(1)*U(1)对称性，奇数和偶数格点对应的两条子链分别遵循粒子数守恒。这种情况下，热激发无法在两条子链之间传播。当热激发移动到系统边缘时只能“原路”返回，从而抑制了和边缘态的相互作用。

该研究建立了一种可行的数字量子模拟方法，为在有限温度下探索拓扑物质提供了新的实验手段。研究团队用预热化的拓扑边缘态进一步编码制备了逻辑贝尔态（图3），这(zhè)为(wèi)构(gòu)建(jiàn)在(zài)有(yǒu)限(xiàn)温(wēn)度(dù)下(xià)抗(kàng)噪(zào)声(shēng)的(de)量(liàng)子(zi)存(cún)储(chǔ)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)的(de)路径。

国(guó)际(jì)先(xiān)进(jìn)的(de)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)

“‘天(tiān)目(mù)2号(hào)’是(shì)由(yóu)浙(zhè)大(dà)团(tuán)队(duì)自(zì)主研(yán)发(fā)的(de)百(bǎi)比(bǐ)特(tè)超导量子芯片。”论文共同第一作者、浙江大学博士生金非童介绍说，“它采用近邻可调耦合架构，具备很高的编程灵活度，同步单/双量子比特门保真度中位数分别达0.9995和0.995，这些关键指标均达到国际先进水平。”

“就像砖块与房子的关系。我们之所以能在实验上看到稳健的拓扑边缘态，离不开浙江大学团队研发的高水平超导量子芯片。”论文共同第一作者、清华大学博士生蒋颸说，“100个粒子的规模很重要，如果链不够长，我们可能就发现不了这样有趣的现象。操控精度也很重要，如果精度不够高，可能根本无法看到热激发的运动。”

浙江大学超导量子计算团队创建于2010年，是国内最早开始超导量子计算实验研究的科研单位之一，是当前国际上为数不多实现百比特量子芯片高精度同步调控的团队。团队的研究着重于和谐、同步地提升量子芯片的比特数目、相干时间和操控精度等多项指标，研发综合性能优秀的超导量子芯片。

团队与合作者利用量子模拟的手段研究了诸多广(guǎng)受(shòu)关注(zhù)的(de)量(liàng)子(zi)新(xīn)物(wù)态(tài)和(hé)新(xīn)机(jī)制(zhì)，近(jìn)年(nián)来(lái)在(zài)国(guó)际(jì)顶(dǐng)刊(kān)Nature和(hé)Science发(fā)表(biǎo)论(lùn)文共(gòng)4篇(piān)。

2019年(nián)团(tuán)队(duì)使(shǐ)用(yòng)20比(bǐ)特(tè)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)成(chéng)功(gōng)实(shí)现(xiàn)全局(jú)纠(jiū)缠(chán)操(cāo)控，刷新了当时固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界记录；2022年(nián)采用(yòng)全数(shù)字(zì)化(huà)量(liàng)子(zi)模(mó)拟(nǐ)方(fāng)式(shì)实(shí)现(xiàn)了(le)拓(tà)扑(pū)时(shí)间(jiān)晶(jīng)体(tǐ)；2022年(nián)首(shǒu)次(cì)实(shí)现(xiàn)了(le)光(guāng)的(de)量(liàng)子(zi)拓(tà)扑(pū)态(tài)操(cāo)控(kòng)；2023年(nián)模(mó)拟(nǐ)了(le)量(liàng)子(zi)疤(bā)痕(hén)、多(duō)体(tǐ)局(jú)域化(huà)等(děng)典(diǎn)型(xíng)的(de)量(liàng)子多体现象；2024年实现了斐波那契任意子的模拟，生成了60比特全局纠缠态。每一步，都见证着理论与实验模拟携手在量子物理最前沿的探索。

郭秋江表示：“下一步，团队将继续提升超导量子芯片的规模和性能，以模拟尺度更广、物理内涵更丰富的科学问题，为科学应用的探索和量(liàng)子(zi)算(suàn)法(fǎ)的(de)发(fā)展(zhǎn)提(tí)供(gōng)基(jī)础(chǔ)平(píng)台(tái)。”

本(běn)文共(gòng)同(tóng)第(dì)一(yī)作(zuò)者(zhě)为(wèi)：金(jīn)非(fēi)童(tóng)（浙(zhè)江(jiāng)大(dà)学(xué)物(wù)理(lǐ)学(xué)院(yuàn)博士生）、蒋颸（清华大学交叉信息研究院博士生）、朱旭浩（浙江大学物理学院博士生）。

通讯作者为：郭秋江（浙江大学杭州国际科创中心研究员）、王浩华（浙江大学物理学院教授）、邓东灵（清华大学交叉信息研究院长聘副教授）。

其他主要合作者包括：浙江大学物理学院张俊香教授、宋超研究员、王震研究员，浙江大学杭州国际科创中心张鹏飞研究员、李贺康高级工程师，哈佛大学Norman Y. Yao教授和Francisco Machado博士后，剑桥大学Jack Kemp博士后，以及爱荷华州立大学Thomas Iadecola副教授。

本研究中的超导量子芯片在浙江大学微纳加工中心制备，量子芯片(piàn)测(cè)控(kòng)电(diàn)子(zi)设(shè)备(bèi)由(yóu)杭(háng)州(zhōu)逻(luó)辑(ji)比(bǐ)特(tè)科(kē)技(jì)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)提(tí)供(gōng)。本(běn)研(yán)究(jiū)得(de)到(dào)了(le)国(guó)家(jiā)自然科学基金、科技部、浙江省自然科学基金、新基石科学基金会科学探索奖等的支持。