7月18日，這所學(xué)校剛發(fā)Cell，三天后再發(fā)Nature，并且，累計到目前共發(fā)表了7篇CNS(包括1篇Cell，2篇Science以及4篇Nature)。這所學(xué)校勢頭正盛，它就是浙江大學(xué)。

遠離平衡態(tài)的量子多體系統(tǒng)，存在著平衡態(tài)熱力學(xué)所不允許的各種奇異現(xiàn)象。一個突出的例子是離散時間晶體，在這些晶體中，時間平移對稱性，在周期性驅(qū)動系統(tǒng)中被自發(fā)打破。開創(chuàng)性的實驗觀察到了時間晶體相的特征，包括被困離子、固態(tài)自旋系統(tǒng)、超冷原子和超導(dǎo)量子位等。

在此，來自浙江大學(xué)&浙江大學(xué)-阿里巴巴前沿技術(shù)聯(lián)合研究院的王震和清華大學(xué)的鄧東靈等研究者報告了一種獨特類型的非平衡狀態(tài)的物質(zhì)，Floquet對稱保護拓撲相，這是通過可編程超導(dǎo)量子比特陣列的數(shù)字量子模擬實現(xiàn)的。相關(guān)論文以題為“Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases”于2022年07月20日發(fā)表在Nature上。

對稱保護拓撲相，具有非平凡邊態(tài)的特征，這些邊態(tài)被限制在系統(tǒng)邊界附近，并被全局對稱保護。在一個沒有無序的干凈系統(tǒng)中，這些邊態(tài)通常只出現(xiàn)在具有體能隙的系統(tǒng)的基態(tài)中。在有限溫度下，它們通常被流動熱激發(fā)破壞。然而，即使在無限溫度下，強無序的加入，可以使系統(tǒng)多體局域化(MBL)，允許一個清晰定義的拓撲相和穩(wěn)定的邊緣態(tài)。值得注意的是，只要驅(qū)動頻率足夠大，使局部化持續(xù)，拓撲相位和相應(yīng)的邊態(tài)，甚至可以在外部周期驅(qū)動下存活。

對稱性、拓撲性、局域性和周期性驅(qū)動之間的相互作用，產(chǎn)生了物質(zhì)的各種特殊相，它們只在非平衡狀態(tài)下存在。對這些非常規(guī)階段的理解和分類，提出了一個眾所周知的科學(xué)挑戰(zhàn)。在理論方面，周期性驅(qū)動(Floquet)系統(tǒng)的拓撲分類，已經(jīng)通過一系列數(shù)學(xué)技術(shù)(如群上同源)得到，揭示了許多沒有平衡對應(yīng)物的“Floquet SPT”(FSPT)相。

然而，人們?nèi)匀蝗狈姶蟮姆治龉ぞ呋驍?shù)值算法，來徹底解決這些相及其向其他相的過渡。在實驗方面，離散時間晶體(DTCs)的特征，是超越平衡的奇異相的典型例子，已經(jīng)在廣泛的系統(tǒng)中被報道。然而，這些實驗，都沒有將拓撲結(jié)構(gòu)作為一個關(guān)鍵成分。最近，在捕獲離子量子計算機上模擬FSPT相位的實驗發(fā)現(xiàn)，由于器件中存在相干誤差，該相位是短暫的。實現(xiàn)長壽命的FSPT階段，需要拓撲、定位和周期性驅(qū)動的微妙并發(fā)，因此，仍然是一個顯著的實驗挑戰(zhàn)。

在此，研究者報告了用26個超導(dǎo)量子比特可編程陣列(圖1)觀測非平衡FSPT相，具有高可控性和長相干時間。研究者成功地實現(xiàn)了具有Z₂×Z₂，Z₂，無微觀對稱性的原型時間(準)周期哈密頓量的動力學(xué)，并觀察了邊緣自旋的次諧波時間響應(yīng)。在長達40個驅(qū)動周期中，使用深度超過240且作用于26個量子比特的電路，研究者觀察到邊緣自旋的魯棒長壽命時間相關(guān)性和亞諧波時間響應(yīng)。研究者證明了亞諧波響應(yīng)與初始狀態(tài)無關(guān)，并通過實驗繪制出了Floquet對稱保護拓撲和熱相之間的相邊界。研究者的結(jié)果建立了一個通用的數(shù)字模擬方法，以探索奇異的非平衡相的物質(zhì)與當前嘈雜的中等規(guī)模量子處理器。

圖1. FSPT相圖和實驗裝置示意圖

圖2. 26個可編程超導(dǎo)量子位的FSPT相觀察

圖3. 具有隨機初始SPT態(tài)的穩(wěn)定器動力學(xué)

圖4. 數(shù)值相圖和相變的實驗檢測

綜上所述，研究者用可編程超導(dǎo)量子處理器實驗，觀察到非平衡Floquet SPT相的特征。與之前報道的傳統(tǒng)時間晶體相比，對于研究者觀測到的FSPT相，離散時間平移對稱性只在邊界處打破，而不是在體中。研究者測量了邊緣自旋的亞諧波頻率的持續(xù)振蕩，實驗證明了FSPT相位對驅(qū)動器中的對稱攝動和實驗中的缺陷具有魯棒性。?此外，研究者還證明了邊界觀測的次諧波響應(yīng)與初始狀態(tài)無關(guān)。該實驗中探索的數(shù)字量子模擬方法，適用于廣泛的包含非常規(guī)拓撲相的非平衡系統(tǒng)的模擬，包括那些具有多體相互作用的系統(tǒng)。

Zhang, X., Jiang, W., Deng, J.?et al.?Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases.?Nature?607,?468–473 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04854-3

原文鏈接：

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