Крупный прорыв! Учёные достигли и зафиксировали неравновесные топологические фазы высшего порядка в квантовых системах
Впервые в квантовой системе исследователям удалось достичь и зафиксировать неравновесные топологические фазы высшего порядка с использованием программируемого сверхпроводящего квантового процессора «Цзу Чунчжи-2». Это достижение представляет собой значительный прорыв в квантовом моделировании для исследования сложных топологических состояний вещества и закладывает основу для демонстрации квантового превосходства в задачах квантового моделирования на сверхпроводящих процессорах. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Science.
Топологические фазы в последние годы стали важным направлением исследований в физике конденсированного состояния и квантовом моделировании. В отличие от обычных топологических фаз, фазы высшего порядка проявляют локализованные состояния на границах низкой размерности, что бросает вызов традиционному соответствию «объём-граница». Хотя топологические фазы высшего порядка были экспериментально реализованы в классических метаматериалах, их достижение в квантовых системах оставалось передовой научной задачей во всём мире. Реализация таких фаз не только помогает раскрыть квантовую природу топологических состояний, но и открывает потенциальные пути для топологических квантовых вычислений на основе неабелевой статистики.
Исследовательская группа использовала программируемые возможности сверхпроводящего квантового процессора «Цзу Чунчжи-2», чтобы впервые в эксперименте достичь квантового моделирования и обнаружения как равновесных, так и неравновесных топологических фаз второго порядка. Теоретически команда предложила статические и флокетовые схемы квантовых цепей для фаз высшего порядка, преодолев ключевые проблемы построения равновесных и неравновесных топологических гамильтонианов высшего порядка в двумерных массивах сверхпроводящих кубитов, и разработала универсальную framework для динамических топологических измерений. Экспериментально исследователи установили системные протоколы оптимизации процессора и путём точной калибровки достигли динамического управления частотами кубитов и силой связи. На массиве кубитов 6×6 они успешно выполнили операции эволюции продолжительностью до 50 периодов Флоке, впервые реализовав четыре различных типа неравновесных топологических фаз второго порядка и системно исследовав такие их характеристики, как энергетический спектр, динамическое поведение и топологические инварианты.
