中国团队研发出“坚不可摧”的量子模块，从一开始就能抵抗错误

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　　在全球竞逐通用量子计算“圣杯”的赛道上，如何驯服脆弱的量子比特、对抗环境噪声引发的退相干，始终是横亘在物理学家面前的一道天堑。昨日，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的超导量子计算团队在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上发表了一项里程碑式的成果。研究团队利用“祖冲智二号”超导量子处理器，在世界上首次实现了非平衡态高阶拓扑相的实验观测，并成功捕捉到了被拓扑保护的“角模式”。

　　这一突破不仅标志着中国在量子模拟领域继续保持国际领跑地位，更展示了一种全新的量子信息保护机制——通过精巧的“弗洛凯工程”（Floquet engineering），在动态演化的系统中构筑起坚不可摧的量子“避风港”。这项研究证明，即使是在现有的、充满噪声的中等规模量子硬件上，依然可以通过物理层面的底层设计，赋予量子态对抗局部扰动的天然免疫力。

　　穿越噪声风暴：寻找量子世界的“拓扑锚点”

　　要理解这项工作的分量，首先需要审视当前量子计算面临的核心困境。量子比特（Qubit）虽然具备超越经典比特的算力潜力，但其本质极度敏感。微乎其微的热涨落、电磁干扰甚至是宇宙射线，都足以导致量子叠加态坍缩，产生计算错误。传统的纠错路线图——如表面码（Surface Code）——虽然理论完备，但往往需要成千上万个物理比特来编码一个逻辑比特，其巨大的硬件开销让短期内的工程实现举步维艰。

　　在此背景下，拓扑量子计算（Topological Quantum Computing）作为一条另辟蹊径的路线，近年来备受瞩目。拓扑学的核心思想在于关注系统的全局性质而非局部细节。这就好比一个橡胶做的甜甜圈，无论你如何挤压、拉伸（只要不撕裂），它“有一个孔”的拓扑性质都不会改变。物理学家梦想将这种数学上的“坚韧”引入量子物理，创造出受拓扑保护的量子态，使其对局部的环境噪声免疫。

　　不可动摇的量子块的概念图 Olemedia/Getty Images

　　然而，传统的拓扑绝缘体通常只在一维边界上存在受保护的导电态（即边缘态）。潘建伟团队此次探索的，则是更为奇特和前沿的物理形态——高阶拓扑绝缘体（Higher-Order Topological Insulator, HOTI）。在这类材料中，受保护的量子态不再分布于边缘，而是收缩并锁定在系统的“角落”里，形成零维的“角模式”。这种高度局域化的特性，使其受到的环境干扰面更小，理论上拥有更强的鲁棒性。

　　祖冲智二号的“动态编织”：弗洛凯驱动下的新物态

　　此次实验的另一大亮点，在于“非平衡态”的实现。在自然界中，物质通常处于热平衡状态，其性质由静态的哈密顿量决定。但物理学家发现，如果用周期性的外力去驱动系统（即弗洛凯工程），原本平凡的物质可能会涌现出奇异的拓扑性质。这就像一个倒立的摆锤，在静止时是不稳定的，但如果对其支点施加高频的垂直振动，它竟然能违反直觉地保持倒立稳定。

　　为了在量子芯片上重现这种违背直觉的物理现象，研究团队启用了具有66个量子比特的可编程超导量子处理器——“祖冲智二号”。这是一次对硬件控制精度的极限挑战。团队精选了处理器上的一个6×6量子比特阵列，将其作为微观模拟器。不同于仅仅被动观测自然材料，研究人员通过精确调控微波脉冲序列，在时间维度上对量子比特间的相互作用强度进行周期性调制。

　　这种“动态编织”技术，实质上是在时间与空间的双重维度上构建了复杂的量子晶格。通过这种高频驱动，研究团队成功在超导量子比特阵列中模拟出了自然界并不存在的非平衡高阶拓扑绝缘体。

　　实验结果令人振奋：在这一人工合成的量子体系中，研究人员清晰地观测到了两种独特的拓扑角模式——“0能量”角模式和“π能量”角模式。这些角模式如同钉子一般，牢牢地锁定在晶格的四个角落。更关键的是，当研究人员人为地在系统中引入局部的无序和扰动时，这些角模式依然表现出了惊人的稳定性，没有发生退相干或耗散。这种“任凭风浪起，稳坐钓鱼台”的特性，正是拓扑保护最直接的实验证据。

　　从物理演示到技术基石：量子纠错的第三条道路

　　该成果的发布，引发了物理学界的广泛关注。它不仅是对高阶拓扑物理理论的一次完美验证，更向工程界展示了一种极具潜力的技术路径。目前的量子处理器大多处于“含噪声中等规模量子”（NISQ）时代，如何在不完美的硬件上执行可靠的计算是当务之急。

　　潘建伟团队的这项工作表明，除了极度消耗资源的纠错码和极难制备的马约拉纳费米子（微软主攻路线）之外，利用现有的超导量子电路进行周期性驱动，或许能成为实现容错量子计算的“第三条道路”。这些被锁定的“角模式”，未来极有希望被开发为天然抗噪的量子存储单元，用于构建长寿命的量子存储器。

　　此外，该实验还展示了“祖冲智二号”作为通用量子模拟平台的强大能力。相比于专门设计的固态材料实验，超导量子处理器具有无与伦比的可编程性。研究人员可以像编写软件代码一样，随意定义晶格的几何结构、相互作用强度和驱动频率。这意味着，未来物理学家可以在这块芯片上模拟黑洞视界、高温超导机制等各种极端物理场景，从而加速新材料和新物理的发现。

　　结语与展望

　　尽管目前的实验主要是在模拟层面上验证了物理机制，距离真正的实用化量子存储器仍有距离——例如，目前的角模式主要用于展示拓扑保护性质，尚未进行复杂的逻辑门操作。但不可否认的是，这一成果为量子计算机的抗噪设计提供了全新的工具箱。

　　随着“祖冲智”系列处理器的不断迭代，比特数的增加和相干时间的延长将允许科学家探索更复杂的拓扑物态。中国科学家在这一领域的持续深耕，证明了在量子计算这场长跑中，除了比拼比特数量的“硬指标”，对底层物理机制的深刻理解与创新利用（“软实力”），同样是通往量子霸权的关键钥匙。

　　当原本脆弱的量子态被拓扑法则“锁”在角落，我们仿佛看到了一丝曙光：未来的量子计算机，或许不再需要小心翼翼地躲避噪声，而是能够在这种动态的平衡中，稳健地驾驭量子的力量。