浙大联手清华，量子领域突破登上Nature！

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一、导读

      2021年底，浙江大学发布了超导量子芯片，即“莫干1号”和“天目1号”，该团队采用“莫干1号”芯片研究了Stark多体局域化，相关成果发表在国际物理学界知名期刊Physical Review Letters。其实，研究团队已经在10月11日向Nature 投稿了另一项成果，今天，这项成果终于面世了！

        受对称性保护的拓扑(SPT)相的特征在于非平庸的边缘态，这些状态被限制在系统边界附近，并受到全局对称性的保护。在没有无序的干净系统中，这些边缘态通常只出现在具有体能隙的系统的基态。在有限的温度下，它们通常会被移动的热激励破坏。然而，加入强无序可以使系统多体局域化(MBL)，即使在无限温度下也允许清晰定义的拓扑相和稳定的边缘态。引人注目的是，只要驱动频率足够大，使得局域化持续存在，拓扑相和相应的边缘态甚至可以经受住外部周期性的驱动。

      对称性、拓扑学、局域化和周期性驱动之间的相互作用产生了各种特殊的物相，这些相只在非平衡状态下存在。对这些非常规相的理解和分类是重要的科学挑战。在理论方面，已经通过一系列数学方法得到了在有和没有相互作用的周期驱动(Floquet)的系统的拓扑分类，并揭示了许多没有平衡态对应体的Floquet SPT(FSPT)相。然而，我们仍然缺乏强大的分析工具或数值算法来彻底解决这些相及其转变。在实验方面，离散时间晶体(DTC)的特征已在广泛的系统得以报道。然而，这些实验都没有将拓扑作为一个关键因素加以考虑。

二、成果掠影

       2022年7月20日，以浙江大学王震和清华大学邓东灵为共同通讯作者，并联合国内外多个研究机构的学者，在综合性期刊Nature上发表了题为“Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases”的最新成果。

      众所周知，远离平衡的量子多体系统存在着各种各样的奇异现象，这些现象会被平衡态热力学所禁止。一个突出的例子是离散时间晶体，其时间平移对称性在周期性驱动的系统中会发生自发破缺。前期一些开创性的实验已经观察到了带有俘获离子的时间晶体相（Nature 543, 217–220 (2017), Science 372,1192–1196 (2021)）、固态自旋系统（Nature 543, 221–225 (2017)）、超冷原子和超导量子位的特征。这项最新研究报道了对一种不同类型的非平衡物态的观测，即受Floquet对称性保护的拓扑相，这项研究是通过可编程超导量子位阵列的数字量子模拟实现的。研究者使用深度超过240并作用于26个量子位的电路，观测了长达40个驱动周期的边缘自旋的长寿命时间关联性和亚谐波时间响应，并且这一结果是相当稳健的（robust）。此外，研究者还证明了次谐波响应与初始状态无关，并通过实验绘制出受Floquet对称性保护的拓扑相和热相（thermal phase）之间的相边界。这项研究建立了一种通用的数字模拟方法，即利用已有的带噪声的中间尺度量子处理器（Quantum 2, 79 (2018)）来探索物质的奇异非平衡相。

      根据同这篇论文一同发布的同行评议报告显示，审稿人对其的评价如下：

☛ 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、核心创新点

√ 观测了长达40个驱动周期的边缘自旋的长寿命时间关联性和亚谐波时间响应

√  证明了次谐波响应与初始状态无关

四、数据概览

图1 FSPT相和实验装置示意图 © 2022 The Authors

图2 用26个可编程超导量子比特观测FSPT相 © 2022 The Authors

图3具有随机初始SPT状态的稳定器的动力学特征 © 2022 The Authors

图4 相变的数值相图和实验检测 © 2022 The Authors

五、成果启示

       用可编程超导量子处理器实验性地观察到了非平衡FSPT相的特征。与之前报道的常规时间晶体相反，这项研究发现离散的时间平移对称性只在边界处破缺，而不是在体相处破缺。研究者通过测量次谐波频率的边缘自旋的持续振荡，并通过实验证明FSPT相对驱动器中的对称性扰动和实验中的缺陷是相当稳健的。此外，还证明了边界可观测度的次谐波响应与初始状态无关。在这项研究中采用的数字量子模拟方法可以适用于模拟大量的非平衡系统，包括具有多体相互作用的非传统拓扑相。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04854-3 

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