《自然》重磅：在量子处理器上实现非平衡拓扑新相

探索超越平衡物理的新物质相态，是凝聚态物理和量子信息科学中最令人振奋的前沿之一。在这些方向中，非平衡拓扑序——由周期驱动或其他动力学机制稳定下来的物质态——成为一个特别丰富的研究领域。发表在《自然》的论文 《Probing Non-Equilibrium Topological Order on a Quantum Processor》 代表了这一探索的里程碑，它首次在可编程量子器件上大规模实验证明了 Floquet 拓扑有序（FTO）相的存在。这一成果不仅是技术层面的突破，更深刻揭示了量子处理器如何成为研究那些经典计算无法触及的奇异物质态的实验平台。

背景：超越平衡的拓扑序

拓扑相与常规有序态（如铁磁体或晶体）截然不同，后者通常可以通过局域序参量和对称性破缺来刻画。而拓扑序则通过长程纠缠、简并基态以及任意子等奇异激发体现出来。这类相态对局域扰动具有鲁棒性，因此在量子纠错和拓扑量子计算中占据核心地位。

尽管平衡拓扑序（例如分数量子霍尔效应）已经被研究了数十年，但理论研究发现，周期驱动能够产生新的拓扑态。这些所谓的Floquet相源于时间周期哈密顿量：即使瞬时哈密顿量没有拓扑性，其整体的周期演化算符也可能展现非平凡拓扑。Floquet Kitaev模型就是一个典型例子：通过在蜂窝晶格上周期性交替地施加三类键相互作用，可以得到具有受保护的手性 Majorana边缘态以及时间依赖任意子转换的动力学相。

然而，由于驱动多体系统中纠缠的指数级增长，经典模拟极其困难。此时，量子处理器展现了独特优势：它们能够直接实现并探测这些非平衡量子物态，规模远超经典计算可及范围。

实验：实现Floquet Kitaev模型

作者团队的目标是在一个含有58个超导量子比特的量子处理器上实现 Floquet Kitaev 模型。其核心方法是模拟蜂窝晶格上三种键（X、Y、Z）的自旋-½ 相互作用，在每个驱动周期内依次激活。

每个Floquet周期由三个酉算符构成：UT=UZUYUX，分别对应三种键方向。实验中，研究人员通过单比特旋转和双比特纠缠门来实现这些操作。为了抑制误差和退相干，他们引入了随机编译和动力学去耦等技术，从而使脆弱的拓扑序特征能够在多个驱动周期中保持可观测。

核心观测：边缘态、任意子与拓扑不变量

实验获得了多项开创性的结果：

1. 手性 Majorana 边缘态：在系统边界制备并探测激发时，研究人员直接观测到了 Majorana 模式的单向传播。这些边缘激发展现出 Floquet 拓扑相的标志性手性特征，沿系统边界绕行，与理论预测一致。即便驱动强度偏离理想值，这种手性运动仍然明显可见，凸显了边缘物理的鲁棒性。
2. 任意子转变：Floquet 拓扑序的一大特征是任意子类型随驱动周期交替变化——电荷型任意子 (e) 与磁通型任意子 (m) 在周期演化中互相转化。研究人员通过测量通量算符与费米子占据数，清楚地看到激发在连续周期中于e与m之间交替，这种动力学过程在平衡拓扑相中并不存在。
3. 体拓扑不变量：团队定义了一个环算符，用来描述任意子围绕闭合路径的运动。通过比较演化前后的波函数，他们得到了随周期数N变化的不变量 η(N)。在 FTO 相中，该不变量在 +1 与 –1 之间交替，正是任意子转变的体现。这一测量提供了明确的体拓扑序证据。
4. 对扰动的稳定性：研究人员还测试了 FTO 相在随机场扰动和驱动参数偏移下的稳定性。结果显示，即使在这些非理想条件下，手性边缘态和体不变量的主要特征仍在实验可观测时间内保持。这表明 Floquet 拓扑序在 预热阶段 具有相当稳定性。

对物理与量子计算的意义

这一工作的意义远超具体实现的 Floquet Kitaev 模型。它表明现代量子处理器已经能够探索超越经典计算能力的量子物态。在 58 个量子比特深度纠缠的体系中，研究人员探测到了经典超级计算机无法高效模拟的动力学现象。

从物理学角度看，该实验验证了 Floquet 拓扑序的理论预言，并建立了新的探测方法——如任意子干涉测量——用于诊断动力学相。它还为研究这些奇异物态在噪声与扰动下的行为提供了现实平台，缩小了理想模型与实际系统之间的差距。

从量子信息角度看，这一成果尤为激动人心。能够在硬件上生成和操控 Majorana 边缘态与任意子激发，为研究拓扑纠错和编织操作打开了新道路。尽管当前实现距离容错量子计算尚有距离，但它展示了拓扑保护可能被利用的基本原理。

结论

《Probing Non-Equilibrium Topological Order on a Quantum Processor》 标志着量子模拟迈入新纪元。通过在超导量子处理器上实现并表征 Floquet 拓扑有序相，作者们展示了量子硬件如何成为研究奇异量子物态的窗口。该实验既是对理论预言的验证，也是通往拓扑量子技术的实践路线图。在这一过程中，它巩固了量子硬件的双重角色：不仅是计算平台，更是推动基础发现的变革性工具。