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

遠離平衡態的量子多體系統，存在著平衡態熱力學所不允許的各種奇異現象。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，在周期性驅動系統中被自發打破。開創性的實驗觀察到了時間晶體相的特征，包括被困離子、固態自旋系統、超冷原子和超導量子位等。

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

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

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

然而，人們仍然缺乏強大的分析工具或數值算法，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，已經在廣泛的系統中被報道。然而，這些實驗，都沒有將拓撲結構作為一個關鍵成分。最近，在捕獲離子量子計算機上模擬FSPT相位的實驗發現，由于器件中存在相干誤差，該相位是短暫的。實現長壽命的FSPT階段，需要拓撲、定位和周期性驅動的微妙并發，因此，仍然是一個顯著的實驗挑戰。

在此，研究者報告了用26個超導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，并觀察了邊緣自旋的次諧波時間響應。在長達40個驅動周期中，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性和亞諧波時間響應。研究者證明了亞諧波響應與初始狀態無關，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。研究者的結果建立了一個通用的數字模擬方法，以探索奇異的非平衡相的物質與當前嘈雜的中等規模量子處理器。

圖1. FSPT相圖和實驗裝置示意圖

圖2. 26個可編程超導量子位的FSPT相觀察

圖3. 具有隨機初始SPT態的穩定器動力學

圖4. 數值相圖和相變的實驗檢測

綜上所述，研究者用可編程超導量子處理器實驗，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振蕩，實驗證明了FSPT相位對驅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與初始狀態無關。該實驗中探索的數字量子模擬方法，適用于廣泛的包含非常規拓撲相的非平衡系統的模擬，包括那些具有多體相互作用的系統。

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