清华科研团队在百比特量子芯片上实现新奇量子物态

北京时间8月28日，清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组与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。该成果论文以《超导处理器上的拓扑预热强零模式》（Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors）为题发表于在《自然》（Nature）杂志。

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。

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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。清华大学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。在此基础上，研究团队进一步利用这种稳健的拓扑边缘态编码并制备了逻辑贝尔态，有力证明了其对热激发的鲁棒性。

使用超导量子芯片实现有限温拓扑边缘态的主要实验结果图

该研究建立了一种可行的数字模拟方法，为在有限温度下探索拓扑物质提供了新的实验手段。此外，它还展示了在无序系统中实现长寿命、鲁棒边界量子比特的潜在途径，为构建抗噪声的量子存储与操控技术提供了新道路。

该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院邓东灵副教授、浙江大学杭州国际科创中心郭秋江研究员和浙江大学物理学院王浩华教授。交叉信息研究院博士生蒋颸、浙江大学博士生金非童、朱旭浩为文章共同第一作者。其他作者包括浙江大学超导量子计算团队部分其他成员，以及哈佛大学诺曼«姚（Norman Y. Yao）教授和弗朗西斯科·马查多（Francisco Machado）博士后，剑桥大学杰克·肯普（Jack Kemp）博士后，以及爱荷华州立大学托马斯«亚迪科拉（Thomas Iadecola）教授。

该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、清华大学启动经费以及上海期智研究院的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09476-z

发布于：北京市