一項最新實驗創(chuàng)建出"角鎖定"的量子模式，為未來量子硬件如何避免脆弱信息丟失提供了新思路。量子計算機雖有望解決傳統(tǒng)計算機無法攻克的問題，但其基本單元（量子比特）極其脆弱，微小的干擾就可能導致全部量子信息損毀。

中國科學技術大學潘建偉團隊近日在這一領域取得重要突破。他們在最新論文中報告成功創(chuàng)建出"搖晃不散"的量子模塊，這一成果依托于強大的可編程超導量子處理器"祖沖之2號"實現(xiàn)。

理解這項工作的意義，可以想象端著肥皂泡穿過擁擠房間而不使其破裂的難度——保護量子信息面臨著類似的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)糾錯方法雖有效但復雜度高，且需要大量額外量子比特。潘建偉團隊另辟蹊徑，轉向研究形狀全局特征的數(shù)學領域——拓撲學。

在物質的拓撲相中，某些特性因依賴全局特征而非脆弱的局部細節(jié)，會表現(xiàn)出驚人的穩(wěn)定性。此前研究已發(fā)現(xiàn)受拓撲保護的邊緣態(tài)，而中國團隊此次瞄準了更難以捕捉的高階拓撲相——其受保護態(tài)會聚集在更小的區(qū)域（如角落）。這些"角模式"雖非真正堅不可摧，但比普通量子態(tài)更具抗干擾能力。

該研究的特殊挑戰(zhàn)在于：團隊聚焦于這些拓撲相的非平衡態(tài)版本——即系統(tǒng)處于持續(xù)演化或受外力驅動狀態(tài)，而非穩(wěn)定態(tài)。這類相態(tài)在自然材料中并不存在，科學家也缺乏可靠的觀測工具。

為實現(xiàn)高階拓撲行為，研究團隊使用"祖沖之2號"處理器部分單元，將36個量子比特排列成6×6陣列，構建成可編程量子模擬器。這種處理器可像量子版中央處理器般重新配置，使團隊能精確設計量子比特間的相互作用，模擬具有高階拓撲行為的合成材料。

通過施加一系列受控操作，團隊成功產(chǎn)生目標非平衡拓撲相。檢測這些相態(tài)需要新策略：他們通過測量量子比特行為的演化動態(tài)（而非靜態(tài)特性），追蹤到角模式的特征信號，最終確認成功模擬了平衡與非平衡兩種高階拓撲相。

研究作者指出："我們使用二維可編程超導量子處理器，同時實現(xiàn)了平衡和非平衡的高階拓撲相。"簡言之，團隊用量子處理器構建并研究了一種自然界不存在的物質形態(tài)，證明其具有與普通量子比特排列不同的、受拓撲保護的小型角態(tài)。

這項成果首次在可編程量子處理器上實驗演示了非平衡高階拓撲相，表明當前中等規(guī)模帶噪聲量子處理器可作為創(chuàng)建研究奇異物態(tài)的多功能平臺，為量子科學未來提供了強大新工具。

雖然該研究尚未創(chuàng)造出完全防錯的量子比特，但指明了有前景的方向——利用拓撲學設計天生對某些干擾不敏感的量子態(tài)。若能將這種受保護模式融入未來硬件，可能構成更可靠量子存儲器或邏輯單元的基礎，進而推動大規(guī)模量子計算在復雜模擬、先進材料設計或人工智能研究等領域的應用。

不過仍存重要挑戰(zhàn)：目前展示的受保護角態(tài)存在于精心控制的模擬環(huán)境中，其在真實噪聲下的穩(wěn)定性仍需全面驗證。同時，該方法需從6×6量子比特陣列大幅擴展才能用于實際設備。下一步研究將包括探索量子比特相互作用、研究更復雜拓撲相，以及應用該方法探究定制設計的量子材料（包括平衡與非平衡態(tài)）。

該研究成果已發(fā)表于《科學》期刊。

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