浙大聯手清華，量子領域突破登上Nature！

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一、導讀

? ? ? 2021年底，浙江大學發布了超導量子芯片，即“莫干1號”和“天目1號”，該團隊采用“莫干1號”芯片研究了Stark多體局域化，相關成果發表在國際物理學界知名期刊Physical Review Letters。其實，研究團隊已經在10月11日向Nature 投稿了另一項成果，今天，這項成果終于面世了！

? ? ? ? 受對稱性保護的拓撲(SPT)相的特征在于非平庸的邊緣態，這些狀態被限制在系統邊界附近，并受到全局對稱性的保護。在沒有無序的干凈系統中，這些邊緣態通常只出現在具有體能隙的系統的基態。在有限的溫度下，它們通常會被移動的熱激勵破壞。然而，加入強無序可以使系統多體局域化(MBL)，即使在無限溫度下也允許清晰定義的拓撲相和穩定的邊緣態。引人注目的是，只要驅動頻率足夠大，使得局域化持續存在，拓撲相和相應的邊緣態甚至可以經受住外部周期性的驅動。

????? 對稱性、拓撲學、局域化和周期性驅動之間的相互作用產生了各種特殊的物相，這些相只在非平衡狀態下存在。對這些非常規相的理解和分類是重要的科學挑戰。在理論方面，已經通過一系列數學方法得到了在有和沒有相互作用的周期驅動(Floquet)的系統的拓撲分類，并揭示了許多沒有平衡態對應體的Floquet SPT(FSPT)相。然而，我們仍然缺乏強大的分析工具或數值算法來徹底解決這些相及其轉變。在實驗方面，離散時間晶體(DTC)的特征已在廣泛的系統得以報道。然而，這些實驗都沒有將拓撲作為一個關鍵因素加以考慮。

二、成果掠影

????? ?2022年7月20日，以浙江大學王震和清華大學鄧東靈為共同通訊作者，并聯合國內外多個研究機構的學者，在綜合性期刊Nature上發表了題為“Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases”的最新成果。

? ? ? 眾所周知，遠離平衡的量子多體系統存在著各種各樣的奇異現象，這些現象會被平衡態熱力學所禁止。一個突出的例子是離散時間晶體，其時間平移對稱性在周期性驅動的系統中會發生自發破缺。前期一些開創性的實驗已經觀察到了帶有俘獲離子的時間晶體相（Nature 543, 217–220 (2017),?Science 372,1192–1196 (2021)）、固態自旋系統（Nature 543, 221–225 (2017)）、超冷原子和超導量子位的特征。這項最新研究報道了對一種不同類型的非平衡物態的觀測，即受Floquet對稱性保護的拓撲相，這項研究是通過可編程超導量子位陣列的數字量子模擬實現的。研究者使用深度超過240并作用于26個量子位的電路，觀測了長達40個驅動周期的邊緣自旋的長壽命時間關聯性和亞諧波時間響應，并且這一結果是相當穩健的（robust）。此外，研究者還證明了次諧波響應與初始狀態無關，并通過實驗繪制出受Floquet對稱性保護的拓撲相和熱相（thermal phase）之間的相邊界。這項研究建立了一種通用的數字模擬方法，即利用已有的帶噪聲的中間尺度量子處理器（Quantum 2, 79 (2018)）來探索物質的奇異非平衡相。

????? 根據同這篇論文一同發布的同行評議報告顯示，審稿人對其的評價如下：

? The experiments are carefully documented and support the statements in the paper. I think the topic will be of interest to physicists and quantum engineers alike；

?The experiment’s ability to faithfully realize a complex three-body ZXZ interaction is quite impressive.

三、核心創新點

√ 觀測了長達40個驅動周期的邊緣自旋的長壽命時間關聯性和亞諧波時間響應

√ ?證明了次諧波響應與初始狀態無關

四、數據概覽

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圖1 FSPT相和實驗裝置示意圖 ? 2022 The Authors

圖2 用26個可編程超導量子比特觀測FSPT相?? 2022 The Authors

圖3具有隨機初始SPT狀態的穩定器的動力學特征?? 2022 The Authors

圖4?相變的數值相圖和實驗檢測?? 2022 The Authors

五、成果啟示

? ? ? ?用可編程超導量子處理器實驗性地觀察到了非平衡FSPT相的特征。與之前報道的常規時間晶體相反，這項研究發現離散的時間平移對稱性只在邊界處破缺，而不是在體相處破缺。研究者通過測量次諧波頻率的邊緣自旋的持續振蕩，并通過實驗證明FSPT相對驅動器中的對稱性擾動和實驗中的缺陷是相當穩健的。此外，還證明了邊界可觀測度的次諧波響應與初始狀態無關。在這項研究中采用的數字量子模擬方法可以適用于模擬大量的非平衡系統，包括具有多體相互作用的非傳統拓撲相。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04854-3?

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