超导量子芯片上“搭积木” 拓扑时间晶体被首次实现

人们日常熟悉的晶体，比如食盐、矿石等，构成它们的原子在空间排列上呈一定的周期性变化，而时间晶体试图把晶体的特征拓展到时间维度，它在时间上也呈现一定的周期性变化——这是2012年诺贝尔物理学奖获得者、麻省理工学院教授弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）曾提出时间晶体的构想。围绕时间晶体这一概念，一些重要的理论认知和实验探索相继涌现。

7月21日，《自然》杂志发表了由浙江大学物理学院王震、王浩华研究组与清华大学交叉信息研究院邓东灵研究组等合作的研究成果，科研人员在超导量子芯片上首次采用全数字化量子模拟方式实现了一种全新的物质状态——拓扑时间晶体。

论文通讯作者之一、浙大物理学院王震研究员介绍，拓扑时间晶体是一种新的非平衡态物质，研究人员成功观测到了它的边缘因拓扑保护而呈现出离散时间晶体的行为（Floquet对称保护拓扑相）。这一研究表明，超导量子芯片上使用数字化量子模拟的方法，有望被用于探索更多的物理学前沿问题。

寻找时间晶体过程中另辟蹊径

根据联合团队绘制的数字量子模拟拓扑时间晶体概念图显示，超导量子芯片内部好比一个多姿多彩的量子世界，科学家在这个量子世界中构建新奇的拓扑时间晶体：规则排布的晶体代表保护拓扑的对称性，旋转的指针代表时间维度，中间不断流出的数字代表数字模拟……

关于时间晶体，在理论物理方面，有科学家曾提出离散时间晶体的概念，并提出了在一类非平衡态系统——量子多体局域化系统中“创造”时间晶体的理论模型；在实验方面，2017年-2018年年间，国际上分别有研究团队在离子阱平台、金刚石色心平台和核磁共振量子平台上实现了离散时间晶体。

类比钟表的指针转过一圈后又会回到初始的位置，时间晶体的特殊之处在于，它的周期性重复是自然且稳定的“基态”，即物质处于能量最低时的状态。王震解释说，“可以理解为时间晶体的‘天性’就是周期性变化的，类似于频闪或者呼吸。而且并不需要像钟表运行那样需要消耗能量。”

两年前，清华大学邓东灵教授开始构思一种新的时间晶体，尝试将拓扑的概念引入时间晶体，通过与浙大超导量子计算团队开展合作，尝试在超导量子芯片上创造这类全新的时间晶体。

“常规的时间晶体已在某些实验平台中实现，我们想尝试别人没有做过的。当清华团队提出想做‘拓扑时间晶体’的想法时，我们觉得很有吸引力，我们的超导量子计算平台来可以试一试。”王震说。

联合团队基于浙江大学杭州国际科创中心量子计算创新工坊发布的“天目1号” 超导量子芯片开展实验。该芯片由研究团队依托于浙江大学微纳加工中心自主制作，芯片上比特平均相干时间破一百微秒，达到国际先进水平，采用较易扩展的近邻连通架构，具备更高的编程灵活度，以执行更多种类的量子算法，可以应用于更多研究领域。

打磨“全数字化模拟”这一利器 

近年来，在解决经典计算机无法胜任的复杂问题方面，量子计算显示出越来越强大的能力。科学家认为，在通向“通用型量子计算”的漫长道路上，首先会出现一批“专门型量子计算”， 帮助科学家研究特定的、专门的现象和问题。

王震介绍，量子计算是通过在量子比特上执行逻辑操作，也就是量子门实现的。不同量子门组合成不同的算法“积木”，用于搭建科学家心目中的“建筑”。在合作研究中，理论物理学者担着建筑师的角色，设计 “积木”的组合方式，浙大研究团队负责打造通用性更高的量子“积木”。

论文共同第一作者、清华大学交叉信息研究院博士生蒋文杰说：“一般来讲，模拟量子多体物质的演化过程需要许多复杂的量子‘积木’，我们根据模型的物理特性，提出了一种用最少的‘积木’造房子的方法，这样在实验上就更容易实现。”

“当要解决具体的问题时，只需要调用组合不同的‘积木’，而不需要更换芯片。”论文共同第一作者、浙大物理学院博士生张叙认为，数字化量子模拟是一条通往通用量子计算的必经之路。

在评估邓东灵研究组提出的构思后，浙大研究团队首次尝试了 “全数字化量子模拟”的实验方案。在26量子比特的超导量子芯片上，通过操作高达240层深度的量子门用于实现合作者的构思。这一比“类比量子模拟”通用性更强的实验方案，使用超导量子芯片具有更高的编程灵活度，以及更高的量子门精度，以执行更多种类的量子算法。

“这项研究涉及时间晶体、拓扑、量子多体物质等许多复杂概念，使用类比模拟计算或许难以实现模拟任务。而浙大的实验平台目标是正好是通用的，可以满足我们的需要。从理论上讲，数字化模拟可以适用于许多物理系统的研究，而不限于某个系统。”蒋文杰说。

链状晶体“首尾”周期性呼应

通过全数字化量子模拟，联合团队首次成功模拟了一个26个“准粒子”组成的链状拓扑时间晶体。在退相干时间内，处于边缘的量子比特自旋随驱动周期性的关联响应，这种响应对初始状态完全不敏感，呈现了受拓扑保护的鲁棒性。通过调制系统扰动，实验成功刻画该拓扑相与平庸热化相的边界。

联合团队通过绘制26个量子比特组成的链状拓扑时间晶体演化图解释道，首尾两个“粒子”的自旋是长程纠缠的，它们会同时翻转并保持很长时间。在不同的时刻来看，首尾都会出现同时翻转和同时还原，并且周期为系统驱动的两倍。而中间的“粒子”则没有稳定的关联。这一拓扑的性质是来源于受到对称性的保护。

张叙对拓扑时间晶体的演化过程做了生动的比喻：“有点类似于一排小朋友听着耳机转圈圈，每个小朋友除了根据自己听到的音乐节奏转圈圈，还要三三两两地合作完成杂技动作。这些特别设计的动作具有拓扑性质，也通过量子效应将首尾两个小朋友的舞蹈‘纠缠’起来，即使音乐的节奏变了，仍可以观察到一头一尾两个小朋友存在稳定的 ‘默契’，周期性地呈现某种呼应。”

蒋文杰解释说，时间晶体的本质是时间平移对称性被破坏，而在联合团队构造的系统则具有拓扑性，链的边缘两端和内部呈现出不同的性质，只有链的两端呈现出时间平移性的破坏。

研究团队认为，这次拓扑时间晶体的成功模拟，证明在超导量子芯片上使用数字化量子模拟的可行性，它将启发人们继续在超导量子计算平台探索更多新奇的新物质、新现象。下一步，研究团队将继续拓展量子芯片的规模和性能，以模拟性质更新、尺度更广、物理内涵更丰富的量子问题，并为量子算法的发展和应用探索提供基础平台。