中国科学家打造"坚不可摧"的量子模块，从源头抵御信息丢失

一项最新实验创建出"角锁定"的量子模式，为未来量子硬件如何避免脆弱信息丢失提供了新思路。量子计算机虽有望解决传统计算机无法攻克的问题，但其基本单元（量子比特）极其脆弱，微小的干扰就可能导致全部量子信息损毁。

中国科学技术大学潘建伟团队近日在这一领域取得重要突破。他们在最新论文中报告成功创建出"摇晃不散"的量子模块，这一成果依托于强大的可编程超导量子处理器"祖冲之2号"实现。

理解这项工作的意义，可以想象端着肥皂泡穿过拥挤房间而不使其破裂的难度——保护量子信息面临着类似的挑战。传统纠错方法虽有效但复杂度高，且需要大量额外量子比特。潘建伟团队另辟蹊径，转向研究形状全局特征的数学领域——拓扑学。

在物质的拓扑相中，某些特性因依赖全局特征而非脆弱的局部细节，会表现出惊人的稳定性。此前研究已发现受拓扑保护的边缘态，而中国团队此次瞄准了更难以捕捉的高阶拓扑相——其受保护态会聚集在更小的区域（如角落）。这些"角模式"虽非真正坚不可摧，但比普通量子态更具抗干扰能力。

该研究的特殊挑战在于：团队聚焦于这些拓扑相的非平衡态版本——即系统处于持续演化或受外力驱动状态，而非稳定态。这类相态在自然材料中并不存在，科学家也缺乏可靠的观测工具。

为实现高阶拓扑行为，研究团队使用"祖冲之2号"处理器部分单元，将36个量子比特排列成6×6阵列，构建成可编程量子模拟器。这种处理器可像量子版中央处理器般重新配置，使团队能精确设计量子比特间的相互作用，模拟具有高阶拓扑行为的合成材料。

通过施加一系列受控操作，团队成功产生目标非平衡拓扑相。检测这些相态需要新策略：他们通过测量量子比特行为的演化动态（而非静态特性），追踪到角模式的特征信号，最终确认成功模拟了平衡与非平衡两种高阶拓扑相。

研究作者指出："我们使用二维可编程超导量子处理器，同时实现了平衡和非平衡的高阶拓扑相。"简言之，团队用量子处理器构建并研究了一种自然界不存在的物质形态，证明其具有与普通量子比特排列不同的、受拓扑保护的小型角态。

这项成果首次在可编程量子处理器上实验演示了非平衡高阶拓扑相，表明当前中等规模带噪声量子处理器可作为创建研究奇异物态的多功能平台，为量子科学未来提供了强大新工具。

虽然该研究尚未创造出完全防错的量子比特，但指明了有前景的方向——利用拓扑学设计天生对某些干扰不敏感的量子态。若能将这种受保护模式融入未来硬件，可能构成更可靠量子存储器或逻辑单元的基础，进而推动大规模量子计算在复杂模拟、先进材料设计或人工智能研究等领域的应用。

不过仍存重要挑战：目前展示的受保护角态存在于精心控制的模拟环境中，其在真实噪声下的稳定性仍需全面验证。同时，该方法需从6×6量子比特阵列大幅扩展才能用于实际设备。下一步研究将包括探索量子比特相互作用、研究更复杂拓扑相，以及应用该方法探究定制设计的量子材料（包括平衡与非平衡态）。

该研究成果已发表于《科学》期刊。

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