超导量子处理器实现拓扑预热强零模：无序自由系统中长寿命边界量子比特的突破

研究人员在100个可编程超导量子比特阵列中，通过数字量子模拟一维无序自由稳定器哈密顿量，观察到跨越整个能谱的拓扑边界模式。该研究揭示了由涌现对称性保护的预热强零模机制，成功制备出逻辑贝尔态，为构建抗噪声的有限温度量子存储器提供了新途径。

　　

在量子计算与拓扑量子物质研究的前沿领域，如何实现有限温度下稳定的拓扑边界模式一直是重大科学挑战。传统对称性保护拓扑相（SPT）的边界模式在零温下稳定，但温度升高时会被体态热激发快速退相干。虽然强无序诱导的多体局域化方案能保护边界模式，但其长期稳定性存在争议，且无序会延缓系统平衡。Feitong Jin等研究团队在《Nature》发表的研究，通过125量子比特超导处理器实现了无序自由系统中的长寿命拓扑边界模式，为这一难题提供了创新解决方案。

研究团队设计了一维簇哈密顿量H=H₀+H₁，其中H₀包含交错强度的三体稳定器项（σ_i-1^zσ_i^xσ_i+1^z），H₁包含横向场和相互作用项。通过高保真量子门（单比特门0.9995，双比特门0.995）和深度达288ns/步的Trotter分解电路，在100量子比特链上实现了长达30周期的相干演化。关键技术创新包括：1）利用Jordan-Wigner变换将系统映射为两个Majorana费米子Kitaev链；2）通过能谱测量发现涌现的U(1)×U(1)对称性；3）在非共振二聚化区域实现边界-体态相互作用的抑制。

研究结果部分揭示：在均匀耦合（J_o=J_e）时，热激发会快速传播并与边界模式相互作用导致退相干。而二聚化耦合（J_o≠J_e）会产生能隙δ∝|J_e-J_o|，抑制激发交换过程。通过测量空间动力学发现，二聚化使激发被限制在奇/偶位点链内运动，形成两个独立的U(1)守恒量。能谱分析显示，当J_o/J_e=3.17时，边界模式Ψ_L^z=Z?_L+(h_x/J_e)σ₁^xσ₂^xσ₃^z-(V_xx/(J_o²-J_e²))(J_eσ₁^xσ₃^z+J_oσ₁^yσ₂^yσ₃^xσ₄^z)的寿命显著延长。逻辑贝尔态保真度实验证明，在二聚化非共振情况下，即使存在热激发，量子相干性仍可保持。

该研究首次在无序自由系统中实现了有限温度下的长寿命拓扑边界模式，其保护机制不依赖多体局域化，而是通过二聚化诱导的涌现对称性。这一发现不仅为理解热SPT相提供了新视角，更为构建抗噪声量子存储器开辟了新途径。研究者指出，这种预热化保护机制可推广至更高维系统，未来有望在界面边界模式和二维子系统编码中实现更强大的量子信息存储。