Nature：中国科学家首次在超导系统中实现拓扑时间晶体量子模拟

来源：清华大学交叉信息学院

清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组与浙江大学物理学院王震、王浩华研究组等合作，在超导系统中首次实验实现了拓扑时间晶体的全数字化量子模拟。该成果论文《Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases》近日以Article的形式在《自然》（Nature）杂志发表。

拓扑时间晶体示意图

时间晶体的概念最早由诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek教授于2012年提出。我们日常熟悉的晶体，如钻石、石英等，构成它们的原子在空间上周期排列，破坏了连续的空间平移对称性。时间晶体就是把“晶体”的特征拓展到时间维度，即系统的某些特性在时间上呈周期性重复，破坏了时间的平移对称性。而拓扑时间晶体由于具有特殊的拓扑性质，其时间平移对称性破缺只发生在系统边界。

时间晶体的研究具有重要的基础理论意义和潜在的应用价值。自这一概念被提出以来，时间晶体在理论和实验上都取得了重要的进展。理论方面，科学家提出了离散时间晶体的概念，并阐明了如何在周期驱动的量子多体局域化系统中实现时间晶体。实验方面，国际上分别有研究团队在离子阱、金刚石色心、核磁共振、冷原子、超导等量子平台上观测到了离散时间晶体。

拓扑是数学的一个分支，主要研究在连续变形下不变的空间属性。例如，甜甜圈可以通过连续形变成为一个咖啡杯的形状。因此，甜甜圈和咖啡杯在拓扑学意义上是完全等价的。物理学家发现许多量子物相及其相互之间的转变可以用拓扑的概念来表征，具有非平凡拓扑的量子物相在系统边缘处往往会表现出与系统内部迥异的物理特性。把拓扑的概念与时间晶体结合起来，就得到了拓扑时间晶体。这是一种新奇的物质形态。

实现拓扑时间晶体是一个极具挑战的难题。清华大学邓东灵研究组提出了拓扑时间晶体的理论模型，并通过人工智能算法找到了数字化量子模拟拓扑时间晶体的优化方案。该研究组与浙江大学超导量子计算团队合作，成功在实验上观测到了这一新奇现象。

超导量子芯片模拟拓扑时间晶体主要实验结果图

实验模拟了一条由26个超导量子比特组成的一维链，在约240层量子线路演化过程中观测到时间平移对称性只在系统边界处（链的两端）被破坏的动力学现象。这是拓扑时间晶体不同于以往报道的常规时间晶体的核心特征。拓扑与时间晶体的结合，构建出了一种全新的非平衡物质相，丰富了时间晶体的种类，拓展了人们对于量子世界的认识。实验使用的超导量子芯片采用易扩展的近邻连通架构，具备高度的编程灵活性，可用于探索更多奇异的量子现象。

该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院邓东灵助理教授与浙江大学物理学院王震特聘研究员。交叉信息研究院2019级博士生蒋文杰、浙江大学博士生张叙、邓金凤为文章共同一作。其他作者包括浙江大学超导量子计算团队部分其他成员，以及马里兰大学的Alexey V. Gorshkov教授，刘芳利博士(现供职于QuEra公司)，爱荷华州立大学Thomas Iadecola教授，与科罗拉多矿业大学龚哲轩教授。

该项目得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、清华大学启动经费以及上海期智研究院等支持。