清华大学利用百比特超导芯片实现新型拓扑边缘态

近日，清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组与浙江大学杭州国际科创中心郭秋江、浙江大学物理学院王浩华团队等合作，首次在百比特超导量子芯片上实现了在非无序量子体系中稳定存在的新型有限温度拓扑边缘态。其研究成果以“超导处理器上的拓扑预热强零模式”为题，发表于《自然》。

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。研究团队进一步利用该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，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，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。

有限温度拓扑边缘态示意图

对称性保护的拓扑边缘态是凝聚态物理中一种新奇的物质状态。它们通常出现在系统边界，并受到特定对称性的保护，能够有效地抵抗满足这些对称性的噪声。这一特性使其在量子信息领域具有潜在的应用价值。然而，拓扑边缘态十分脆弱，通常只存在于绝对零度下的系统基态中。在有限温度环境中，大量的热激发会自由传播并与边缘态相互作用，从而破坏边缘态并抹去其中存储的量子信息。因此，在热扰动下寻找并保护量子物态是凝聚态物理和量子信息领域的重要课题。

为了应对这一挑战，主流的方法是引入无序使系统进入多体局域化状态，从而束缚热激发。但该方法高度依赖随机势场，不仅实验成本昂贵，并且其稳定性仍存在争议。邓东灵研究组等另辟蹊径，提出利用预热化机制来保护实验制备的拓扑边缘态。该方法无需引入无序，而是依靠系统内部涌现的对称性，为边缘态提供额外的保护，从而抑制其与热激发之间的相互作用。

为了验证这一构想，邓东灵研究组与浙江大学超导量子计算团队合作，在浙江大学自主研制的125比特“天目2号”超导量子芯片上实现了一条由100个粒子组成的一维对称性保护拓扑链。在高度的编程灵活性与国际先进的量子操作保真度支持下，研究团队在约270层量子线路演化过程中观察到了不受热激发影响的拓扑边缘态，并深入研究了系统预热化状态下热激发的动力学与涌现的对称性。

使用超导量子芯片实现有限温度拓扑边缘态的主要实验结果图

关于预热化系统为何对热激发“免疫”，邓东灵对其中的物理机制进行了解释：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，这为构建在有限温度下抗噪声的量子存储提供了新的路径。

下一步，研究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子算法的发展提供基础平台。