浙江大学，再发Nature！

7月18日，这所学校刚发Cell，三天后再发Nature，并且，累计到目前共发表了7篇CNS(包括1篇Cell，2篇Science以及4篇Nature)。这所学校势头正盛，它就是浙江大学。

远离平衡态的量子多体系统，存在着平衡态热力学所不允许的各种奇异现象。一个突出的例子是离散时间晶体，在这些晶体中，时间平移对称性，在周期性驱动系统中被自发打破。开创性的实验观察到了时间晶体相的特征，包括被困离子、固态自旋系统、超冷原子和超导量子位等。

在此，来自浙江大学&浙江大学-阿里巴巴前沿技术联合研究院的王震和清华大学的邓东灵等研究者报告了一种独特类型的非平衡状态的物质，Floquet对称保护拓扑相，这是通过可编程超导量子比特阵列的数字量子模拟实现的。相关论文以题为“Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases”于2022年07月20日发表在Nature上。

对称保护拓扑相，具有非平凡边态的特征，这些边态被限制在系统边界附近，并被全局对称保护。在一个没有无序的干净系统中，这些边态通常只出现在具有体能隙的系统的基态中。在有限温度下，它们通常被流动热激发破坏。然而，即使在无限温度下，强无序的加入，可以使系统多体局域化(MBL)，允许一个清晰定义的拓扑相和稳定的边缘态。值得注意的是，只要驱动频率足够大，使局部化持续，拓扑相位和相应的边态，甚至可以在外部周期驱动下存活。

对称性、拓扑性、局域性和周期性驱动之间的相互作用，产生了物质的各种特殊相，它们只在非平衡状态下存在。对这些非常规阶段的理解和分类，提出了一个众所周知的科学挑战。在理论方面，周期性驱动(Floquet)系统的拓扑分类，已经通过一系列数学技术(如群上同源)得到，揭示了许多没有平衡对应物的“Floquet SPT”(FSPT)相。

然而，人们仍然缺乏强大的分析工具或数值算法，来彻底解决这些相及其向其他相的过渡。在实验方面，离散时间晶体(DTCs)的特征，是超越平衡的奇异相的典型例子，已经在广泛的系统中被报道。然而，这些实验，都没有将拓扑结构作为一个关键成分。最近，在捕获离子量子计算机上模拟FSPT相位的实验发现，由于器件中存在相干误差，该相位是短暂的。实现长寿命的FSPT阶段，需要拓扑、定位和周期性驱动的微妙并发，因此，仍然是一个显著的实验挑战。

在此，研究者报告了用26个超导量子比特可编程阵列(图1)观测非平衡FSPT相，具有高可控性和长相干时间。研究者成功地实现了具有Z₂×Z₂，Z₂，无微观对称性的原型时间(准)周期哈密顿量的动力学，并观察了边缘自旋的次谐波时间响应。在长达40个驱动周期中，使用深度超过240且作用于26个量子比特的电路，研究者观察到边缘自旋的鲁棒长寿命时间相关性和亚谐波时间响应。研究者证明了亚谐波响应与初始状态无关，并通过实验绘制出了Floquet对称保护拓扑和热相之间的相边界。研究者的结果建立了一个通用的数字模拟方法，以探索奇异的非平衡相的物质与当前嘈杂的中等规模量子处理器。

图1. FSPT相图和实验装置示意图

图2. 26个可编程超导量子位的FSPT相观察

图3. 具有随机初始SPT态的稳定器动力学

图4. 数值相图和相变的实验检测

综上所述，研究者用可编程超导量子处理器实验，观察到非平衡Floquet SPT相的特征。与之前报道的传统时间晶体相比，对于研究者观测到的FSPT相，离散时间平移对称性只在边界处打破，而不是在体中。研究者测量了边缘自旋的亚谐波频率的持续振荡，实验证明了FSPT相位对驱动器中的对称摄动和实验中的缺陷具有鲁棒性。 此外，研究者还证明了边界观测的次谐波响应与初始状态无关。该实验中探索的数字量子模拟方法，适用于广泛的包含非常规拓扑相的非平衡系统的模拟，包括那些具有多体相互作用的系统。

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

原文链接：

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