【導(dǎo)語(yǔ)】8月(yuè)27日(rì)，浙(zhè)江(jiāng)大(dà)學(xué)王(wáng)浩(hào)華(huá)、郭(guō)秋(qiū)江(jiāng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合(hé)清(qīng)華(huá)大(dà)學(xué)鄧(dèng)東(dōng)靈(líng)團(tuán)隊(duì)在(zài)Nature發(fā)表(biǎo)重(zhòng)要(yào)論(lùn)文，於(yú)百比特“天目2號”超導量子芯片上實現新型“熱”拓撲邊緣態，證明“預熱化”機製可抵禦熱激發擾動，為保護量子信息提供新可能。該研究建立可行數字量子模擬方法，為探索拓撲物質提供新手段。

拓撲邊緣態作為量子世界最為迷人的“景觀”之一，在量子信息中具有重要的應用價值。

8月27日，浙江大學物理學院王浩華、杭州國際科創中心郭秋江超導量子計算團隊聯合清華大學鄧東靈團隊在Nature雜誌發表論文“Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors”，在百比特超導量子芯片上實現了一種新型的“熱”拓撲邊緣態：在非無序、存在熱激發的有限溫量子體係中，拓撲邊緣態仍能展現出足夠的穩定性。該實驗證明了“預熱化”機製能有效抵禦熱激發擾動，形成更加穩健的長壽命拓撲邊緣態。

圖1：“天目2號”超導量子芯片 本文圖片均由通訊員供圖這種穩健的拓撲邊緣態為保護脆弱的量子信息提供了新可能。研究團隊進一步利用該邊緣態構造了兩個邏輯量子比特，成功製備了邏輯貝爾態，並展示了其對熱激發的魯棒性。

值得一提的是，該實驗是在浙江大學超導量子計算團隊自主研製的百比特“天目2號”超(chāo)導(dǎo)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片（圖1）上完成的。“天目2號”量子芯片可操控量子比特數目超過100個，同時支持高保真度的並行量子邏輯門操作，為科學家探索新的量子信息理論與技術、模擬新奇的量子物態提供了可靠平台。

量子係統的“熱化”難題

該研究針對的是凝聚態物理中的一種新奇物態——對稱性保護的拓撲邊緣態（symmetry-protected topological edge states）。它通常出現於係統的邊界，受到特定對稱性的保護，能夠有效地抵抗滿足對稱性的噪聲，這使它在量子信息方麵具備潛在的應用價值。

然而困難在於，拓撲邊緣態非常脆弱，通常僅存在於絕對零度的理想環境，在真實的“熱”環境中，要成為量子世界“皮實耐造”的成員，它們必須挺過“命運”的難關——熱化。

經典世界中的熱化現象隨處可見，比如將冰塊放入一杯溫水中，過一會冰就全化成了水。微觀世界也有類似現象：在一個多粒子的封閉係統中，體係的初始狀態攜帶有一定的局域信息；隨著時間的推移，那些最初的局域信息將擴散到所有粒子中，像一頁被塗亂的筆記，無法辨別最初的字跡。

作為熱化的推手，糖心免费视频不妨把熱激發（thermal excitation）看作闖入量子係統的一個“熱浪”。理論上“熱浪”會像漣漪一樣波及係統內的每個粒子，並與之發生相互作用，處於係統邊緣的粒子也不例外。相互作用會改變粒子的狀態，係統邊緣態的初始狀態也會被隨之“抹去”（圖2左）。正如尋找室溫超導體對科學界的無窮吸引力，尋找能在“熱浪”擾動下存活的量子物態，是一直以來吸引科學界的夢想。

近年來，陸續有研究團隊發表理論方案與實驗結果。主流思路是一種叫多體局域化（圖2右）的方法：在係統中引入無序來增加熱激發移動的難度，試圖“原地”束縛熱激發，阻隔它與其他(tā)粒(lì)子的相互作用。“這一方法依賴於隨機施加的勢場，實驗實現的成本比較高。此外，學術界對於多體局域化的穩定性也依然存在爭議。”郭秋江說。

新的策略：湧現的對稱性

圖2：無預熱化機製時邊緣態被移動的熱激發破壞（左）；預熱化機製下邊緣態無法與熱激發相互作用，受到很好的保護（中）；多體局域化將熱激發束縛在原地（右(yòu)）“多(duō)體(tǐ)局(jú)域化(huà)的(de)策(cè)略(è)是(shì)限(xiàn)製(zhì)熱(rè)激(jī)發(fā)的(de)移(yí)動(dòng)，我(wǒ)們(men)則(zé)把(bǎ)關注(zhù)點(diǎn)轉(zhuǎn)移(yí)到(dào)熱(rè)激(jī)發(fā)與(yǔ)邊(biān)緣(yuán)態(tài)的(de)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)上(shàng)。”鄧(dèng)東(dōng)靈(líng)等(děng)學(xué)者(zhě)提出了利用預熱化（prethermalization）機製保護拓撲邊緣態的路徑，無需引入無序，而是依靠係統內部湧現的對稱性對邊緣態提供額外的保護，這樣就像為邊緣態裝上“防護罩”，抑製其與熱激發之間的相互作用（圖2中）。

針對上述理論構想，鄧東靈團隊與王浩華、郭秋江團隊（圖4）合作開展了量子模擬實驗。研究團隊在“天目2號”超導量子芯片上構造了一條具有100個粒子的長鏈，並對這些粒子之間的耦合強度進行了二聚化（dimerization）設計。

在約270層量子線路演化過程中，研究團隊觀察到了不受熱激發影響的拓撲邊緣態，預熱化的機製生效了！實驗顯示，即使長鏈中存在大量的熱激發，長鏈兩端的拓撲邊緣態仍然維持了和其在“零溫”基態下相似的壽命！這種不需要無序的對熱擾動的魯棒性，意味著一種新的“熱”拓撲邊緣態誕生了。

圖3：被熱激發破壞的邏輯貝爾態實驗結果（左、中）；受預熱化機製保護的邏輯貝爾態實驗結果（右）關於預熱化係統為何對熱激發“免疫”，鄧東靈對其中的物理機製進行了解釋：相互作用強度的二聚化使係統湧現出U(1)*U(1)對稱性，奇數和偶數格點對應的兩條子鏈分別遵循粒子數守恒。這種情況下，熱激發無法在兩條子鏈之間傳播。當熱激發移動到係統邊緣時隻能“原路”返回，從而抑製了和邊緣態的相互作用。

該研究建立了一種可行的數字量子模擬方法，為在有限溫度下探索拓撲物質提供了新的實驗手段。研究團隊用預熱化的拓撲邊緣態進一步編碼製備了邏輯貝爾態（圖3），這為構建在有限溫度下抗噪聲的量子存儲提供了新的路徑。

國際先進的超導量子芯片

“‘天目2號’是由浙大團隊自主研發的百比特超導量子芯片。”論文共同第一作者、浙江大學博士生金非童介紹說，“它采用近鄰可調耦合架構，具備很高的編程靈活度，同步單/雙量子比特門保真度中位數分別達0.9995和0.995，這些關鍵指標均達到國際先進水平。”

“就像磚塊與房子的關係。糖心免费视频之所以能在實驗上看到穩健的拓撲邊緣態，離不開浙江大學團隊研發的高水平超導量子芯片。”論文共同第一作者、清華大學博士生蔣颸說，“100個粒子的規模很重要，如果鏈不夠長，糖心免费视频可能就發現不了這樣有趣的現象。操控精度也很重要，如果精度不夠高，可能根本無法看到熱激發的運動。”

浙江大學超導量子計算團隊創建於2010年，是國內最早開始超導量子計算實驗研究的科研單位之一，是當前國際上為數不多實現百比特量子芯片高精度同步調控的團隊。團隊的研究著重於和諧、同步地提升量子芯片的比特數目、相幹時間和操控精度等多項指標，研發綜合性能優秀的超導量子芯片。

團隊與合作者利用量子模擬的手段研究了諸多廣受關注的量子新物態和新機製，近年來在國際頂刊Nature和Science發表論文共4篇。

2019年團隊使用20比特超導量子芯片成功實現全局糾纏操控，刷新了當時固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界記錄；2022年采用全數字化量子模擬方式實現了拓撲時間晶體；2022年首次實現了光的量子拓撲態操控；2023年模擬了量子疤痕、多體局域化等典型的量子多體現象；2024年實現了斐波那契任意子的模擬，生成了60比特全局糾纏態。每一步，都見證著理論與實驗模擬攜手在量子物理最前沿的探索。

郭秋江表示：“下一步，團隊將繼續提升超導量子芯片的規模和性能，以模擬尺度更廣、物理內涵更豐富的科(kē)學(xué)問(wèn)題(tí)，為(wèi)科(kē)學應用的探索和量子算法的發展提供基礎平台。”

本文共同第一作者為：金非童（浙江大學物理學院博士生）、蔣颸（清華大學交叉信息研究院博士生）、朱旭浩（浙江大學物理學院博士生）。

通訊作者為：郭秋江（浙江大學杭州國際科創中心研究員）、王浩華（浙江大學物理學院教授）、鄧東靈（清華大學交叉信息研究院長聘副教授）。

其他主要合作者包括：浙江大學物理學院張俊香教授、宋超研究員、王震研究員，浙江大學杭州國際科創中心張鵬飛研究員、李賀康高級工程師，哈佛大學Norman Y. Yao教授和Francisco Machado博士後，劍橋大學Jack Kemp博士後，以及愛荷華州立大學Thomas Iadecola副教授。

本研究中的超導量子芯片在浙江大學微納加工中心製備，量子芯片測控電子設備由杭州邏輯比特科技有限公司提供。本研究得到了國家自然科學基金、科技部、浙江省自然科學基金、新基石科學基金會科學探索獎等的支持。