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11月27日,顶级大佬在顶级期刊上发表了顶级成果:中国科学技术大学潘建伟院士团队在Science发表了题为“在超导量子处理器上实现可编程的高阶非平衡拓扑物态”。通讯作者还包括朱晓波、彭承志、陆朝阳、龚明等一众量子领域的牛人名单。
他们到底干了个啥呢?简单来说,他们直接在量子芯片上“敲代码”就造出了新材料?没错,他们用自家研发的66位“祖冲之2.0”量子处理器,像玩高级乐高一样,“编程”出了一种叫“高阶非平衡拓扑物态”的奇特存在。
这玩意儿到底有多神奇?简单说就是:电流哪儿都不去,就爱在材料边角打转。而且这还不是静态的,是在“被不断闪灯光照”的动态状态下实现的!
甜甜圈和咖啡杯是一回事
说到拓扑,你可能听过那个经典梗:拓扑学家眼里,甜甜圈和咖啡杯没区别——因为它们都只有一个洞。物理学家把这套“看形状本质”的功夫用到了材料上,就发现了拓扑绝缘体:里面绝缘,表面却导电,而且这导电属性稳如老狗,不太受杂质影响。
那“高阶拓扑”又是什么进阶玩法?想象一下,如果普通拓扑绝缘体是“表面导电”,那高阶版就更极端——导电性被压缩到材料的棱角甚至角落。这些被困在边角的电子模式,就是传说中的“拓扑角模式”,它们受到材料整体拓扑性质保护,相当扛造。
图说:平衡态与高阶非平衡拓扑物相。(A) 平衡态拓扑物相的特征是拓扑边缘模沿边界传播,(B) 其在能谱上位于并跨越能隙。kₓ 表示准动量。(C) 高阶非平衡拓扑物相在“边界的边界”处具有 0 能量和 π 能量拓扑模,(D) 其能谱呈现周期性的单位圆准能谱(范围从 −π 到 π),其中 0 能量和 π 能量能隙内存在四个拓扑角模(TCMs)
从“摆拍”到“直播”:挑战动态拓扑世界
以往研究的多是“摆拍”式的平衡态拓扑系统,但真实世界和未来技术往往是“直播”现场——材料被周期性驱动,比如被激光一闪一闪地照。这种非平衡状态下,系统会出现更骚的操作:能量谱会变成环形结构,还可能冒出一种能量被“锁”在驱动频率一半的“π模式”。
要实现并探测这种二维动态高阶拓扑,实验界一直头大:既要精确构建周期性驱动,又没现成方法“看到”这些动态特征。但潘建伟团队表示:既然物理上难搞,咱就直接在量子芯片上“写代码”来模拟!
实验怎么玩?量子芯片变身“材料模拟器”
团队的核心装备是一块66量子比特的超导芯片。每个量子比特就像个可以同时是0和1的“量子开关”。通过微波精准操控,他们能灵活调节比特间的耦合强度甚至正负,直接在芯片上“编程”出想要的物理模型。
第一步:先搞定静态版
在6×6阵列上模拟经典BBH模型
通过设计耦合,在每个菱形格子里引入“π规范磁通”(一种等效量子效应)
成功在四个角落捕捉到“零能拓扑角模式”
实验在6x6二维比特阵列上实现周期性驱动
第二步:秀出动态神操作
不硬搞物理振荡,而是设计一套超50个循环的Floquet量子电路
每个循环模拟一次周期性驱动的演化步骤
相当于在数字世界里“编程”出动态非平衡拓扑态
非平衡SOTPs的空间特征分析。(A)针对(1,1)相,展示了实测(上图)和理想模拟(下图)的Floquet局域态密度空间分布,分别对应0能隙、π能隙和低能带的积分结果。(B)和(C)分别对应(0,1)相和(1,0)相的相同分析。可以看到,局域在边角区域的Floquet局域态密度分布存在明显差异,这清晰地揭示了0型和π型拓扑角模式具有截然不同的内部空间结构。
怎么“看到”这些微观模式?丢石子看涟漪!
探测这些边角模式是另一大难关。团队开发了一套基于“手征密度”动力学的探测大招:
挨个点炮:依次单独激发每个量子比特
全局围观:追踪所有比特状态的动态变化
拓扑解码:从数据中反推角模式数量、能量分布和空间位置
靠这方法,他们不仅数清了角模式(0个或4个),还首次直接拍到了非平衡系统特有的环形能量谱和“π模式”。
这波操作到底有啥用?
对科学宅:
首次在实验中实现二维高阶非平衡拓扑态
给动态量子系统研究开了新副本
对技术党:
建了个“量子材料模拟器”,以后筛选新材料可能像试玩Demo
为拓扑量子计算埋了颗种子
展示了量子处理器模拟复杂系统的潜力
对路人甲:
原来材料还能这么“编程”设计?!
量子计算不只是算得快,还能当科研神器
接下来还要玩多大?
团队透露,下一步准备:
在电路里加更多激发,玩相互作用更猛的拓扑态
上更大规模阵列,挑战经典计算机算不动的场景
继续探索各种奇异量子物态
总之,这波操作不仅证明了“量子编程”造材料的可行性,还展示了当代科研的打开方式——与其苦苦等待自然界赏饭吃,不如直接动手“捏”个新材料出来。从拓扑绝缘体到拓扑角模式,从静态到动态,科学家们正在用量子芯片,一步步搭建起连接理论想象与现实应用的新桥梁。
编辑:吴欧
论文信息
发布期刊 Science
发布时间 2025年11月27日
论文标题 Programmable higher- order nonequilibrium topological phases on a superconducting quantum processor
(DOI:10.1126/science.adp6802
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审核:李宪生
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