《自然》重磅：在量子處理器上實現非平衡拓撲新相

探索超越平衡物理的新物質相態(tài)，是凝聚態(tài)物理和量子信息科學中最令人振奮的前沿之一。在這些方向中，非平衡拓撲序——由周期驅動或其他動力學機制穩(wěn)定下來的物質態(tài)——成為一個特別豐富的研究領域。發(fā)表在《自然》的論文 《Probing Non-Equilibrium Topological Order on a Quantum Processor》 代表了這一探索的里程碑，它首次在可編程量子器件上大規(guī)模實驗證明了 Floquet 拓撲有序（FTO）相的存在。這一成果不僅是技術層面的突破，更深刻揭示了量子處理器如何成為研究那些經典計算無法觸及的奇異物質態(tài)的實驗平臺。

背景：超越平衡的拓撲序

拓撲相與常規(guī)有序態(tài)（如鐵磁體或晶體）截然不同，后者通常可以通過局域序參量和對稱性破缺來刻畫。而拓撲序則通過長程糾纏、簡并基態(tài)以及任意子等奇異激發(fā)體現出來。這類相態(tài)對局域擾動具有魯棒性，因此在量子糾錯和拓撲量子計算中占據核心地位。

盡管平衡拓撲序（例如分數量子霍爾效應）已經被研究了數十年，但理論研究發(fā)現，周期驅動能夠產生新的拓撲態(tài)。這些所謂的Floquet相源于時間周期哈密頓量：即使瞬時哈密頓量沒有拓撲性，其整體的周期演化算符也可能展現非平凡拓撲。Floquet Kitaev模型就是一個典型例子：通過在蜂窩晶格上周期性交替地施加三類鍵相互作用，可以得到具有受保護的手性 Majorana邊緣態(tài)以及時間依賴任意子轉換的動力學相。

然而，由于驅動多體系統(tǒng)中糾纏的指數級增長，經典模擬極其困難。此時，量子處理器展現了獨特優(yōu)勢：它們能夠直接實現并探測這些非平衡量子物態(tài)，規(guī)模遠超經典計算可及范圍。

實驗：實現Floquet Kitaev模型

作者團隊的目標是在一個含有58個超導量子比特的量子處理器上實現 Floquet Kitaev 模型。其核心方法是模擬蜂窩晶格上三種鍵（X、Y、Z）的自旋-? 相互作用，在每個驅動周期內依次激活。

每個Floquet周期由三個酉算符構成：UT=UZUYUX，分別對應三種鍵方向。實驗中，研究人員通過單比特旋轉和雙比特糾纏門來實現這些操作。為了抑制誤差和退相干，他們引入了隨機編譯和動力學去耦等技術，從而使脆弱的拓撲序特征能夠在多個驅動周期中保持可觀測。

核心觀測：邊緣態(tài)、任意子與拓撲不變量

實驗獲得了多項開創(chuàng)性的結果：

1. 手性 Majorana 邊緣態(tài)：在系統(tǒng)邊界制備并探測激發(fā)時，研究人員直接觀測到了 Majorana 模式的單向傳播。這些邊緣激發(fā)展現出 Floquet 拓撲相的標志性手性特征，沿系統(tǒng)邊界繞行，與理論預測一致。即便驅動強度偏離理想值，這種手性運動仍然明顯可見，凸顯了邊緣物理的魯棒性。
2. 任意子轉變：Floquet 拓撲序的一大特征是任意子類型隨驅動周期交替變化——電荷型任意子 (e) 與磁通型任意子 (m) 在周期演化中互相轉化。研究人員通過測量通量算符與費米子占據數，清楚地看到激發(fā)在連續(xù)周期中于e與m之間交替，這種動力學過程在平衡拓撲相中并不存在。
3. 體拓撲不變量：團隊定義了一個環(huán)算符，用來描述任意子圍繞閉合路徑的運動。通過比較演化前后的波函數，他們得到了隨周期數N變化的不變量 η(N)。在 FTO 相中，該不變量在 +1 與 –1 之間交替，正是任意子轉變的體現。這一測量提供了明確的體拓撲序證據。
4. 對擾動的穩(wěn)定性：研究人員還測試了 FTO 相在隨機場擾動和驅動參數偏移下的穩(wěn)定性。結果顯示，即使在這些非理想條件下，手性邊緣態(tài)和體不變量的主要特征仍在實驗可觀測時間內保持。這表明 Floquet 拓撲序在 預熱階段 具有相當穩(wěn)定性。

對物理與量子計算的意義

這一工作的意義遠超具體實現的 Floquet Kitaev 模型。它表明現代量子處理器已經能夠探索超越經典計算能力的量子物態(tài)。在 58 個量子比特深度糾纏的體系中，研究人員探測到了經典超級計算機無法高效模擬的動力學現象。

從物理學角度看，該實驗驗證了 Floquet 拓撲序的理論預言，并建立了新的探測方法——如任意子干涉測量——用于診斷動力學相。它還為研究這些奇異物態(tài)在噪聲與擾動下的行為提供了現實平臺，縮小了理想模型與實際系統(tǒng)之間的差距。

從量子信息角度看，這一成果尤為激動人心。能夠在硬件上生成和操控 Majorana 邊緣態(tài)與任意子激發(fā)，為研究拓撲糾錯和編織操作打開了新道路。盡管當前實現距離容錯量子計算尚有距離，但它展示了拓撲保護可能被利用的基本原理。

結論

《Probing Non-Equilibrium Topological Order on a Quantum Processor》 標志著量子模擬邁入新紀元。通過在超導量子處理器上實現并表征 Floquet 拓撲有序相，作者們展示了量子硬件如何成為研究奇異量子物態(tài)的窗口。該實驗既是對理論預言的驗證，也是通往拓撲量子技術的實踐路線圖。在這一過程中，它鞏固了量子硬件的雙重角色：不僅是計算平臺，更是推動基礎發(fā)現的變革性工具。