“量子编程”玩出新物态：潘建伟团队science发文，在量子芯片上“捏”出神奇材料｜光锥读论文

11月27日，顶级大佬在顶级期刊上发表了顶级成果：中国科学技术大学潘建伟院士团队在Science发表了题为“在超导量子处理器上实现可编程的高阶非平衡拓扑物态”。通讯作者还包括朱晓波、彭承志、陆朝阳、龚明等一众量子领域的牛人名单。

他们到底干了个啥呢？简单来说，他们直接在量子芯片上“敲代码”就造出了新材料？没错，他们用自家研发的66位“祖冲之2.0”量子处理器，像玩高级乐高一样，“编程”出了一种叫“高阶非平衡拓扑物态”的奇特存在。

这玩意儿到底有多神奇？简单说就是：电流哪儿都不去，就爱在材料边角打转。而且这还不是静态的，是在“被不断闪灯光照”的动态状态下实现的！

甜甜圈和咖啡杯是一回事

说到拓扑，你可能听过那个经典梗：拓扑学家眼里，甜甜圈和咖啡杯没区别——因为它们都只有一个洞。物理学家把这套“看形状本质”的功夫用到了材料上，就发现了拓扑绝缘体：里面绝缘，表面却导电，而且这导电属性稳如老狗，不太受杂质影响。

那“高阶拓扑”又是什么进阶玩法？想象一下，如果普通拓扑绝缘体是“表面导电”，那高阶版就更极端——导电性被压缩到材料的棱角甚至角落。这些被困在边角的电子模式，就是传说中的“拓扑角模式”，它们受到材料整体拓扑性质保护，相当扛造。

图说：平衡态与高阶非平衡拓扑物相。
(A) 平衡态拓扑物相的特征是拓扑边缘模沿边界传播，
(B) 其在能谱上位于并跨越能隙。kₓ 表示准动量。
(C) 高阶非平衡拓扑物相在“边界的边界”处具有 0 能量和 π 能量拓扑模，
(D) 其能谱呈现周期性的单位圆准能谱（范围从 −π 到 π），其中 0 能量和 π 能量能隙内存在四个拓扑角模（TCMs）

从“摆拍”到“直播”：挑战动态拓扑世界

以往研究的多是“摆拍”式的平衡态拓扑系统，但真实世界和未来技术往往是“直播”现场——材料被周期性驱动，比如被激光一闪一闪地照。这种非平衡状态下，系统会出现更骚的操作：能量谱会变成环形结构，还可能冒出一种能量被“锁”在驱动频率一半的“π模式”。

要实现并探测这种二维动态高阶拓扑，实验界一直头大：既要精确构建周期性驱动，又没现成方法“看到”这些动态特征。但潘建伟团队表示：既然物理上难搞，咱就直接在量子芯片上“写代码”来模拟！

实验怎么玩？量子芯片变身“材料模拟器”

团队的核心装备是一块66量子比特的超导芯片。每个量子比特就像个可以同时是0和1的“量子开关”。通过微波精准操控，他们能灵活调节比特间的耦合强度甚至正负，直接在芯片上“编程”出想要的物理模型。

第一步：先搞定静态版

在6×6阵列上模拟经典BBH模型

通过设计耦合，在每个菱形格子里引入“π规范磁通”（一种等效量子效应）

成功在四个角落捕捉到“零能拓扑角模式”

实验在6x6二维比特阵列上实现周期性驱动

第二步：秀出动态神操作

不硬搞物理振荡，而是设计一套超50个循环的Floquet量子电路

每个循环模拟一次周期性驱动的演化步骤

相当于在数字世界里“编程”出动态非平衡拓扑态

非平衡SOTPs的空间特征分析。
（A）针对(1,1)相，展示了实测（上图）和理想模拟（下图）的Floquet局域态密度空间分布，分别对应0能隙、π能隙和低能带的积分结果。
（B）和（C）分别对应(0,1)相和(1,0)相的相同分析。可以看到，局域在边角区域的Floquet局域态密度分布存在明显差异，这清晰地揭示了0型和π型拓扑角模式具有截然不同的内部空间结构。

怎么“看到”这些微观模式？丢石子看涟漪！

探测这些边角模式是另一大难关。团队开发了一套基于“手征密度”动力学的探测大招：

挨个点炮：依次单独激发每个量子比特

全局围观：追踪所有比特状态的动态变化

拓扑解码：从数据中反推角模式数量、能量分布和空间位置

靠这方法，他们不仅数清了角模式（0个或4个），还首次直接拍到了非平衡系统特有的环形能量谱和“π模式”。

这波操作到底有啥用？

对科学宅：

首次在实验中实现二维高阶非平衡拓扑态

给动态量子系统研究开了新副本

对技术党：

建了个“量子材料模拟器”，以后筛选新材料可能像试玩Demo

为拓扑量子计算埋了颗种子

展示了量子处理器模拟复杂系统的潜力

对路人甲：

原来材料还能这么“编程”设计？！

量子计算不只是算得快，还能当科研神器

接下来还要玩多大？

团队透露，下一步准备：

在电路里加更多激发，玩相互作用更猛的拓扑态

上更大规模阵列，挑战经典计算机算不动的场景

继续探索各种奇异量子物态

总之，这波操作不仅证明了“量子编程”造材料的可行性，还展示了当代科研的打开方式——与其苦苦等待自然界赏饭吃，不如直接动手“捏”个新材料出来。从拓扑绝缘体到拓扑角模式，从静态到动态，科学家们正在用量子芯片，一步步搭建起连接理论想象与现实应用的新桥梁。

编辑：吴欧

论文信息

发布期刊 Science

发布时间 2025年11月27日

论文标题 Programmable higher- order nonequilibrium topological phases on a superconducting quantum processor

(DOI：10.1126/science.adp6802