11月27日，頂級大佬在頂級期刊上發表了頂級成果：中國科學技術大學潘建偉院士團隊在Science發表了題為“在超導量子處理器上實現可編程的高階非平衡拓撲物態”。通訊作者還包括朱曉波、彭承志、陸朝陽、龔明等一眾量子領域的牛人名單。

他們到底干了個啥呢？簡單來說，他們直接在量子芯片上“敲代碼”就造出了新材料？沒錯，他們用自家研發的66位“祖沖之2.0”量子處理器，像玩高級樂高一樣，“編程”出了一種叫“高階非平衡拓撲物態”的奇特存在。

這玩意兒到底有多神奇？簡單說就是：電流哪兒都不去，就愛在材料邊角打轉。而且這還不是靜態的，是在“被不斷閃燈光照”的動態狀態下實現的！

甜甜圈和咖啡杯是一回事

說到拓撲，你可能聽過那個經典梗：拓撲學家眼里，甜甜圈和咖啡杯沒區別——因為它們都只有一個洞。物理學家把這套“看形狀本質”的功夫用到了材料上，就發現了拓撲絕緣體：里面絕緣，表面卻導電，而且這導電屬性穩如老狗，不太受雜質影響。

那“高階拓撲”又是什么進階玩法？想象一下，如果普通拓撲絕緣體是“表面導電”，那高階版就更極端——導電性被壓縮到材料的棱角甚至角落。這些被困在邊角的電子模式，就是傳說中的“拓撲角模式”，它們受到材料整體拓撲性質保護，相當扛造。

圖說：平衡態與高階非平衡拓撲物相。
(A) 平衡態拓撲物相的特征是拓撲邊緣模沿邊界傳播，
(B) 其在能譜上位于并跨越能隙。k? 表示準動量。
(C) 高階非平衡拓撲物相在“邊界的邊界”處具有 0 能量和 π 能量拓撲模，
(D) 其能譜呈現周期性的單位圓準能譜（范圍從 ?π 到 π），其中 0 能量和 π 能量能隙內存在四個拓撲角模（TCMs）

從“擺拍”到“直播”：挑戰動態拓撲世界

以往研究的多是“擺拍”式的平衡態拓撲系統，但真實世界和未來技術往往是“直播”現場——材料被周期性驅動，比如被激光一閃一閃地照。這種非平衡狀態下，系統會出現更騷的操作：能量譜會變成環形結構，還可能冒出一種能量被“鎖”在驅動頻率一半的“π模式”。

要實現并探測這種二維動態高階拓撲，實驗界一直頭大：既要精確構建周期性驅動，又沒現成方法“看到”這些動態特征。但潘建偉團隊表示：既然物理上難搞，咱就直接在量子芯片上“寫代碼”來模擬！

實驗怎么玩？量子芯片變身“材料模擬器”

團隊的核心裝備是一塊66量子比特的超導芯片。每個量子比特就像個可以同時是0和1的“量子開關”。通過微波精準操控，他們能靈活調節比特間的耦合強度甚至正負，直接在芯片上“編程”出想要的物理模型。

第一步：先搞定靜態版

在6×6陣列上模擬經典BBH模型

通過設計耦合，在每個菱形格子里引入“π規范磁通”（一種等效量子效應）

成功在四個角落捕捉到“零能拓撲角模式”

實驗在6x6二維比特陣列上實現周期性驅動

第二步：秀出動態神操作

不硬搞物理振蕩，而是設計一套超50個循環的Floquet量子電路

每個循環模擬一次周期性驅動的演化步驟

相當于在數字世界里“編程”出動態非平衡拓撲態

非平衡SOTPs的空間特征分析。
（A）針對(1,1)相，展示了實測（上圖）和理想模擬（下圖）的Floquet局域態密度空間分布，分別對應0能隙、π能隙和低能帶的積分結果。
（B）和（C）分別對應(0,1)相和(1,0)相的相同分析。可以看到，局域在邊角區域的Floquet局域態密度分布存在明顯差異，這清晰地揭示了0型和π型拓撲角模式具有截然不同的內部空間結構。

怎么“看到”這些微觀模式？丟石子看漣漪！

探測這些邊角模式是另一大難關。團隊開發了一套基于“手征密度”動力學的探測大招：

挨個點炮：依次單獨激發每個量子比特

全局圍觀：追蹤所有比特狀態的動態變化

拓撲解碼：從數據中反推角模式數量、能量分布和空間位置

靠這方法，他們不僅數清了角模式（0個或4個），還首次直接拍到了非平衡系統特有的環形能量譜和“π模式”。

這波操作到底有啥用？

對科學宅：

首次在實驗中實現二維高階非平衡拓撲態

給動態量子系統研究開了新副本

對技術黨：

建了個“量子材料模擬器”，以后篩選新材料可能像試玩Demo

為拓撲量子計算埋了顆種子

展示了量子處理器模擬復雜系統的潛力

對路人甲：

原來材料還能這么“編程”設計？！

量子計算不只是算得快，還能當科研神器

接下來還要玩多大？

團隊透露，下一步準備：

在電路里加更多激發，玩相互作用更猛的拓撲態

上更大規模陣列，挑戰經典計算機算不動的場景

繼續探索各種奇異量子物態

總之，這波操作不僅證明了“量子編程”造材料的可行性，還展示了當代科研的打開方式——與其苦苦等待自然界賞飯吃，不如直接動手“捏”個新材料出來。從拓撲絕緣體到拓撲角模式，從靜態到動態，科學家們正在用量子芯片，一步步搭建起連接理論想象與現實應用的新橋梁。

編輯：吳歐

論文信息

發布期刊 Science

發布時間 2025年11月27日

論文標題 Programmable higher- order nonequilibrium topological phases on a superconducting quantum processor

(DOI：10.1126/science.adp6802