Durchbruch in der Quantenforschung: Höhere topologische Phasen erstmals nachgewiesen
Forschern ist erstmals der experimentelle Nachweis höherer topologischer Phasen außerhalb des Gleichgewichts in einem Quantensystem gelungen. Die Experimente fanden auf dem programmierbaren supraleitenden Quantenprozessor „Zuchongzhi-2“ statt. Diese Errungenschaft markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Quantensimulation komplexer topologischer Materiezustände und ebnet den Weg für die Demonstration von Quantenvorteilen bei Simulationsproblemen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Science veröffentlicht.
Topologische Phasen stellen ein wichtiges Forschungsfeld in der Festkörperphysik und Quantensimulation dar. Im Gegensatz zu konventionellen topologischen Phasen zeigen höhere topologische Phasen lokalisierte Zustände an niedrigerdimensionalen Grenzflächen, was die traditionelle Volumen-Rand-Korrespondenz infrage stellt. Während höhere topologische Phasen bereits in klassischen Metamaterialien realisiert wurden, blieb ihre Umsetzung in Quantensystemen eine große wissenschaftliche Herausforderung. Die Realisierung dieser Phasen könnte nicht nur die Quantennatur topologischer Zustände aufdecken, sondern auch neue Wege für topologische Quantencomputer eröffnen.
Das Forschungsteam nutzte die programmierbaren Fähigkeiten des „Zuchongzhi-2“-Prozessors, um erstmals sowohl Gleichgewichts- als auch Nichtgleichgewichts-topologische Phasen zweiter Ordnung zu simulieren und nachzuweisen. Theoretisch entwickelten die Wissenschaftler statische und Floquet-Quantenschaltkreis-Designs und überwanden damit Schlüsselherausforderungen bei der Konstruktion höherer topologischer Hamilton-Operatoren in zweidimensionalen supraleitenden Qubit-Arrays. Experimentell etablierten die Forscher systematische Optimierungsprotokolle und erreichten durch präzise Kalibrierung die dynamische Kontrolle von Qubit-Frequenzen und Kopplungsstärken. Auf einer 6×6 Qubit-Matrix führten sie erfolgreich Entwicklungsoperationen über bis zu 50 Floquet-Perioden durch und realisierten vier verschiedene Typen von topologischen Phasen zweiter Ordnung außerhalb des Gleichgewichts.
Zuchongzhi-2
Bei „Zuchongzhi-2“ handelt es sich um einen in China entwickelten Quantencomputer, benannt nach dem antiken chinesischen Mathematiker und Astronomen Zu Chongzhi. Der Prozessor erlangte 2021 internationale Aufmerksamkeit, als Forscher behaupteten, er habe „Quantenüberlegenheit“ erreicht, indem er eine bestimmte Aufgabe deutlich schneller als klassische Supercomputer bewältigte.
