超导处理器上的拓扑预热强零模式

对称性保护的拓扑相无法通过任何局域序参量来刻画，其性质超越了传统的对称性破缺理论。

其典型特征是存在拓扑边界态，这些边界态在保持对称性的扰动下依然稳定。

在无杂质的清洁、能隙体系中，这类边界态的稳定性仅限于零温条件；在有限温度下，它们会因与热激发的相互作用而衰减。

在此，来自清华大学的邓东灵、浙江大学的郭秋江&王浩华等研究者报道了一种不同类型的拓扑边界态：该态由涌现的对称性所保护，并能在整个能谱范围内持续存在。相关论文以题为“Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors”于2025年08月27日发表在Nature上。

通过在一维无序稳定子哈密顿量上的数字量子模拟，研究者在由100个可编程超导量子比特构成的体系中，观测到了稳健且长寿命的拓扑边界态，其寿命可达30个周期，并在多种初态下保持稳定。

进一步的分析表明，通过对稳定子强度进行二聚化处理，可以抑制边界态与体激发之间的相互作用，从而在体系的预热态中产生涌现的U(1) × U(1)对称性。

此外，研究者还利用这些拓扑边界态实现了逻辑量子比特的构建，并成功制备出逻辑贝尔态，该态在无序、有限温的体系中依然表现出持久的相干性。

该结果不仅为在有限温度下实验研究拓扑物质提供了一种可行的数字模拟途径，也展示了在无序体系中构建长寿命、稳健边界量子比特的潜在路径。

图1125量子比特处理器和理论模型。

图2 在高达无限温度的条件下，具有鲁棒拓扑边缘模式。

图3 激发动力学与新兴的U(1) × U(1)对称性。

图4 光谱分析能量谱。

图5有限温度下逻辑贝尔态的保真度动力学。

参考文献

Jin, F., Jiang, S., Zhu, X. et al. Topological prethermal strong zero modes on superconducting processors. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09476-z

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