近日，清華大學交叉信息研究院鄧東靈助理教授研究組與浙江大學物理學院王震、王浩華研究組等合作，在超導系統(tǒng)中首次實驗實現(xiàn)了拓撲時間晶體的全數(shù)字化量子模擬。

時間晶體的概念最早由諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）教授于2012年提出。我們?nèi)粘Ｊ煜さ木w，如鉆石、石英等，構(gòu)成它們的原子在空間上周期排列，破壞了連續(xù)的空間平移對稱性。時間晶體就是把“晶體”的特征拓展到時間維度，即系統(tǒng)的某些特性在時間上呈周期性重復，破壞了時間的平移對稱性。而拓撲時間晶體由于具有特殊的拓撲性質(zhì)，其時間平移對稱性破缺只發(fā)生在系統(tǒng)邊界。

時間晶體的研究具有重要的基礎(chǔ)理論意義和潛在的應用價值。自這一概念被提出以來，時間晶體在理論和實驗上都取得了重要的進展。理論方面，科學家提出了離散時間晶體的概念，并闡明了如何在周期驅(qū)動的量子多體局域化系統(tǒng)中實現(xiàn)時間晶體。實驗方面，國際上分別有研究團隊在離子阱、金剛石色心、核磁共振、冷原子、超導等量子平臺上觀測到了離散時間晶體。

拓撲是數(shù)學的一個分支，主要研究在連續(xù)變形下不變的空間屬性。例如，甜甜圈可以通過連續(xù)形變成為一個咖啡杯的形狀。因此，甜甜圈和咖啡杯在拓撲學意義上是完全等價的。物理學家發(fā)現(xiàn)許多量子物相及其相互之間的轉(zhuǎn)變可以用拓撲的概念來表征，具有非平凡拓撲的量子物相在系統(tǒng)邊緣處往往會表現(xiàn)出與系統(tǒng)內(nèi)部迥異的物理特性。把拓撲的概念與時間晶體結(jié)合起來，就得到了拓撲時間晶體。這是一種新奇的物質(zhì)形態(tài)。

實現(xiàn)拓撲時間晶體是一個極具挑戰(zhàn)的難題。鄧東靈研究組提出了拓撲時間晶體的理論模型，并通過人工智能算法找到了數(shù)字化量子模擬拓撲時間晶體的優(yōu)化方案。該研究組與浙江大學超導量子計算團隊合作，成功在實驗上觀測到了這一新奇現(xiàn)象。

使用超導量子芯片模擬拓撲時間晶體主要實驗結(jié)果

實驗模擬了一條由26個超導量子比特組成的一維鏈，在約240層量子線路演化過程中觀測到時間平移對稱性只在系統(tǒng)邊界處（鏈的兩端）被破壞的動力學現(xiàn)象。這是拓撲時間晶體不同于以往報道的常規(guī)時間晶體的核心特征。拓撲與時間晶體的結(jié)合，構(gòu)建出了一種全新的非平衡物質(zhì)相，豐富了時間晶體的種類，拓展了人們對于量子世界的認識。實驗使用的超導量子芯片采用易擴展的近鄰連通架構(gòu)，具備高度的編程靈活性，可用于探索更多奇異的量子現(xiàn)象。

該研究成果實現(xiàn)了一種全新的非平衡物質(zhì)形態(tài)，創(chuàng)新性地將拓撲的概念引入到時間晶體中，豐富了時間晶體的種類，展示了使用中等尺度量子芯片探索奇異量子物態(tài)的巨大潛力。

該成果論文《弗洛凱對稱性保護拓撲相的數(shù)字化量子模擬》（Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases）近日以長文形式（Article）在《自然》（Nature）期刊發(fā)表。

該論文通訊作者為清華大學交叉信息研究院鄧東靈助理教授與浙江大學物理學院王震研究員。交叉信息研究院2019級博士生蔣文杰、浙江大學2019級博士生張敘、鄧金鳳為文章共同第一作者。其他作者包括浙江大學超導量子計算團隊部分其他成員，以及馬里蘭大學的阿列克謝·戈爾什科夫（Alexey V. Gorshkov）教授，劉芳利博士，愛荷華州立大學托馬斯·亞迪科拉（Thomas Iadecola）教授，與科羅拉多礦業(yè)大學龔哲軒教授。該項目得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、清華大學啟動經(jīng)費以及上海期智研究院等支持。（來源：清華大學）