清華新聞網(wǎng)8月28日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈研究組與浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心郭秋江、浙江大學(xué)物理學(xué)院王浩華團(tuán)隊(duì)等合作，首次在百比特超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了在非無(wú)序量子體系中穩(wěn)定存在的新型有限溫度拓?fù)溥吘墤B(tài)。
圖1.有限溫度拓?fù)溥吘墤B(tài)示意圖
對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(tài)是凝聚態(tài)物理中一種新奇的物質(zhì)狀態(tài)。它們通常出現(xiàn)在系統(tǒng)邊界，并受到特定對(duì)稱(chēng)性的保護(hù)，能夠有效地抵抗?jié)M足這些對(duì)稱(chēng)性的噪聲。這一特性使其在量子信息領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，拓?fù)溥吘墤B(tài)十分脆弱，通常只存在于絕對(duì)零度下的系統(tǒng)基態(tài)中。在有限溫度環(huán)境中，大量的熱激發(fā)會(huì)自由傳播并與邊緣態(tài)相互作用，從而破壞邊緣態(tài)并抹去其中存儲(chǔ)的量子信息。因此，在熱擾動(dòng)下尋找并保護(hù)量子物態(tài)是凝聚態(tài)物理和量子信息領(lǐng)域的重要課題。
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，主流的方法是引入無(wú)序使系統(tǒng)進(jìn)入多體局域化狀態(tài)，從而束縛熱激發(fā)。但該方法高度依賴(lài)隨機(jī)勢(shì)場(chǎng)，不僅實(shí)驗(yàn)成本昂貴，并且其穩(wěn)定性仍存在爭(zhēng)議。鄧東靈研究組等另辟蹊徑，提出利用預(yù)熱化機(jī)制來(lái)保護(hù)實(shí)驗(yàn)制備的拓?fù)溥吘墤B(tài)。該方法無(wú)需引入無(wú)序，而是依靠系統(tǒng)內(nèi)部涌現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性，為邊緣態(tài)提供額外的保護(hù)，從而抑制其與熱激發(fā)之間的相互作用。
為了驗(yàn)證這一構(gòu)想，鄧東靈研究組與浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)合作，在浙江大學(xué)自主研制的125比特“天目2號(hào)”超導(dǎo)量子芯片上實(shí)現(xiàn)了一條由100個(gè)粒子組成的一維對(duì)稱(chēng)性保護(hù)拓?fù)滏?。在高度的編程靈活性與國(guó)際先進(jìn)的量子操作保真度支持下，研究團(tuán)隊(duì)在約270層量子線(xiàn)路演化過(guò)程中觀(guān)察到了不受熱激發(fā)影響的拓?fù)溥吘墤B(tài)，并深入研究了系統(tǒng)預(yù)熱化狀態(tài)下熱激發(fā)的動(dòng)力學(xué)與涌現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用這種穩(wěn)健的拓?fù)溥吘墤B(tài)編碼并制備了邏輯貝爾態(tài)，有力證明了其對(duì)熱激發(fā)的魯棒性。
圖2.使用超導(dǎo)量子芯片實(shí)現(xiàn)有限溫度拓?fù)溥吘墤B(tài)的主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖
研究建立了一種可行的數(shù)字模擬方法，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。此外，它還展示了在無(wú)序系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、魯棒邊界量子比特的潛在途徑，為構(gòu)建抗噪聲的量子存儲(chǔ)與操控技術(shù)提供了新路徑。
研究成果以“超導(dǎo)處理器上的拓?fù)漕A(yù)熱強(qiáng)零模式”（Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors）為題，于8月27日發(fā)表于《自然》（Nature）。
清華大學(xué)交叉信息研究院副教授鄧東靈、浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心研究員郭秋江與浙江大學(xué)物理學(xué)院教授王浩華為論文通訊作者。清華大學(xué)交叉信息研究院2023級(jí)博士生蔣颸，浙江大學(xué)2021級(jí)博士生金非童、朱旭浩為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)以及上海期智研究院等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09476-z
供稿：交叉信息研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
