中国量子研究再获突破！科学家首次实现高阶非平衡拓扑相

发布时间：2025-11-28 阅读量：1523 来源: 发布人: suii

中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志、龚明等教授与山西大学梅锋教授合作，基于可编程超导量子处理器“祖冲之二号”，首次在量子体系中实现并探测了高阶非平衡拓扑相。这一突破性研究成果于10月28日在国际权威学术期刊《科学》上发表。

该成果不仅标志着我国在量子模拟领域的重要进展，更为未来实现拓扑量子计算奠定了坚实基础。量子计算作为一种新兴计算模式，其发展有望推动材料设计、药物分析、密码学等领域的变革。

一、突破背后的科学价值：揭开高阶拓扑相的神秘面纱

拓扑相是近年来凝聚态物理与量子模拟领域的前沿研究方向。与传统拓扑相不同，高阶拓扑相在更低维度的边界上出现局域态，这一特性挑战了传统的体-边对应关系理论。

实现高阶拓扑相的探测对基础物理学意义重大。它不仅有助于科学家揭示拓扑物态的量子本质，还可能为基于非阿贝尔统计的拓扑量子计算提供实现途径。这类量子计算具有内在容错能力，被认为是实现大规模量子计算的最有前景方案之一。

二、实验核心技术：可编程超导量子处理器的关键作用

本次突破的核心技术依托于可编程超导量子处理器“祖冲之二号”。该处理器是中国科学技术大学自主研发的量子计算原型机，具有高精度编程控制和量子态精确探测能力。与传统的固态系统或冷原子平台相比，超导量子处理器具有操控精度高、可编程性强等优势。研究团队通过精确控制处理器上的量子比特，成功构建了描述高阶拓扑相的量子模型。

实验过程中，研究人员设计了一种创新的探测方法，能够直接观测到高阶拓扑相的特征边界态。这种方法克服了传统测量技术在探测非线性、非平衡拓扑物态方面的局限性。“祖冲之二号”的成功应用，展示了超导量子处理器在模拟复杂物理系统方面的独特优势，为量子模拟技术在凝聚态物理研究中的应用开辟了新途径。

三、从理论到实践：非平衡拓扑相的研究历程

高阶拓扑相的概念最早由理论物理学家提出，但实验实现一直面临巨大挑战。此前的研究主要集中在平衡态条件下的拓扑相，而非平衡拓扑相的研究相对缺乏实验支持。非平衡拓扑相与平衡态拓扑相的关键区别在于，它存在于系统演化过程中，而非终态。这要求实验平台必须具有极高的操控速度和测量精度，才能捕捉到这些瞬态拓扑特性。

中国研究团队通过精细控制量子处理器上的耦合强度和局势场，实现了二维非平衡拓扑相，并观测到了一维拓扑边界态和零维角态的存在。这些特征正是高阶拓扑相的标志性特征。这一突破验证了理论预言，为研究更复杂的非平衡拓扑物态提供了实验方法和技术储备。