有限温度拓扑边缘态示意图。

本报讯 近日，清华大学交叉信息研究院邓东灵副教授团队与杭州国际科创中心郭秋江研究员团队、浙江大学物理学院王浩华教授团队等合作，首次在百比特超导量子芯片上实现了在非无序量子体系中稳定存在的新型有限温度拓扑边缘态。研究成果以“超导处理器上的拓扑预热强零模式”为题发表在《自然》（Nature）期刊上。

对称性保护的拓扑边缘态是凝聚态物理中一种新奇的物质状态，它们受特定对称性保护，能有效抵抗噪声干扰，在量子信息领域具有潜在的应用价值。然而，拓扑边缘态十分脆弱，通常只存在于绝对零度下的系统基态中。在有限温度环境中，热激发会破坏边缘态，导致存储的量子信息丢失。如何在热扰动下寻找并保护量子物态，一直是凝聚态物理和量子信息领域的重要课题。

传统方案通过引入无序使系统进入“多体局域化”状态来束缚热激发，但这种方法不仅成本高昂、稳定性存在争议且严重依赖随机势场。

研究团队另辟蹊径，提出利用“预热化”机制保护实验制备的拓扑边缘态。该方法无需引入无序，仅依靠系统内部涌现的对称性为边缘态提供额外的保护，就能有效抑制热激发对边缘态的干扰。

为验证这一构想，邓东灵团队与浙江大学超导量子计算团队等合作，在浙江大学自主研制的125比特“天目2号”超导量子芯片上构建了一条由100个粒子组成的一维对称性保护拓扑链。凭借高度灵活的编程能力和国际领先的量子操作保真度，研究团队在约270层量子线路演化中成功观测到不受热激发影响的拓扑边缘态，并深入研究了系统预热化状态下热激发的动力学与涌现的对称性。在此基础上，研究团队进一步利用拓扑边缘态编码制备出逻辑贝尔态，有力验证了其对热激发的鲁棒性。

该研究建立了一种可行的数字模拟方法，为在有限温度下探索拓扑物质提供了新的实验手段。此外，它还展示了在无序系统中实现长寿命鲁棒边界量子比特的潜在途径，为构建抗噪声的量子存储与操控技术提供了新路径。

邓东灵、郭秋江、王浩华为该论文的通讯作者。清华大学交叉信息研究院2023级博士生蒋颸，浙江大学2021级博士生金非童、朱旭浩为共同第一作者。

（交叉信息研究院）