近日，山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、激光光谱研究所的贾锁堂教授和梅锋教授与中国科学技术大学的潘建伟教授、彭承志教授、朱晓波教授及龚明教授合作，在国际上首次实现并探测了高阶非平衡拓扑物态。相关研究成果发表在《Science》杂志上。
拓扑物态超越了以对称性破缺为核心的传统物态分类框架，揭示了物态可由其全局拓扑不变性定义的新范式。高阶拓扑物态作为该领域近年来的重要进展，深化了拓扑体-边对应原理，揭示出拓扑保护现象可存在于维度更低的嵌套边界中，例如零维拓扑角模。这类受拓扑保护的零能模具有非阿贝尔统计特性，为拓扑保护的量子信息处理提供了全新的物理实现平台。然而，在量子比特体系中实现并探测高阶拓扑物态依然是当前国际上的前沿科学挑战。
随着量子调控技术的发展，物态调控研究正从平衡态范式向非平衡态范式转变，研究范畴超越了传统平衡态统计力学与凝聚态物理的理论框架。非平衡拓扑物态形成于受外力、周期驱动或量子淬火等过程，这些过程将系统推离平衡态，从而诱导出新颖的动力学序与鲁棒现象，如拓扑泵浦、拓扑时间晶体、动力学拓扑相变等。此类物态无法通过传统的平衡拓扑物态分类框架完整描述，也难以借助常规平衡调控与探测手段进行制备和观测，亟需发展面向非平衡拓扑物态的制备方案、表征理论和探测方法。
研究团队基于可编程“祖冲之2号”超导量子处理器，设计了实现平衡和非平衡高阶拓扑物态的超导比特阵列模型和量子编程线路，发展了表征和探测平衡和非平衡高阶拓扑的手征性量子动力学理论，解决了在可编程量子信息处理器中构建、刻画和探测高阶非平衡拓扑物态的难题。通过精密标定实现了量子比特频率与耦合强度的动态调控，在6×6量子比特阵列上成功执行了多达50个弗洛凯周期的量子演化操作，成功实现了四种平衡和非平衡高阶拓扑物态，首次观察到拓扑保护的平衡和非平衡量子比特角模，系统探索了非平衡拓扑特性，包括非平衡拓扑准能谱、非平衡拓扑量子动力学、非平衡拓扑不变量、非平衡拓扑局域态密度等。
这项工作标志着量子模拟在探索高阶拓扑和非平衡物态方面取得了重要突破，为下一步利用可编程量子信息处理器在非平衡强关联拓扑物态以及在量子模拟中实现量子优势奠定了关键基础。