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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

远离平衡态的量子多体系统存在着许多平衡态热力学所不允许的各种奇异现象（如对称性、拓扑、局部化和周期性驱动）。理解和分类这些非常规阶段是一个众所周知的科学挑战。虽然开创性的实验已经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。然而，实现长寿命的Floquet SPT相（FSPT）阶段需要拓扑、定位和周期性驱动的微妙并发，上述实验都没有将拓扑作为关键要素，因此理解非常规阶段仍然是一个显著的实验挑战。

基于此，浙江大学王震研究员和清华大学邓东灵助理教授等人报告了通过可编程超导量子比特阵列的数字量子模拟实现的一种独特类型的非平衡状态的物质——Floquet对称保护拓扑相。

作者使用深度超过 240并作用于26个量子位的电路，在多达40个驱动周期内观察到边缘自旋的稳健的长寿命时间相关性和次谐波时间响应。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。本工作的结果为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建立了一个通用的数字模拟方法。

哈密顿量模型及其装置

作者使用数字量子模拟，选择合适的参数，探究了FSPT阶段时间平移对称性对边界处的破坏。使用神经进化算法来设计合适的量子电路，利用所得到的量子电路，在一个有26个量子位的倒装芯片超导量子处理器上进行了实验。

图 FSPT阶段和实验装置的示意图

边缘对称性破坏

通过边界处局部磁化周期为2T的持续振荡证明了FSPT 阶段的特征是在链的边界处打破离散的时间平移对称性。作者绘制了不同相的无序平均局部磁化强度的时间演化，表明了边界处时间平移对称性的破坏而非整体上的破坏。

图 使用26个可编程超导量子位观察FSPT阶段

局部化保护的拓扑状态

为了建立FSPT阶段，需要对其他初始状态和其他局部可观察量进行额外的实验。作者展示了主体稳定器不会破坏离散的时间平移对称性，而是在它们的边界处破坏。作者研究了纠缠光谱，证明了本征态的拓扑性质。

图 具有随机初始SPT状态的稳定器动力学

相变

作者探究了FSPT相合其他热相之间的相变，表明强相互作用会减少局部化并最终使系统热化，在临界出会出现两相的过渡相。通过实验也证实了这种相变的存在并探测到转变点。作者还使用本文的量子设备对其他模型进行了数字模拟，证实了本文方法的普适性。

图 相变的数值相图和实验检测

参考文献：

Xu Zhang, et al. Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases. Nature, 2022, 607:468-473.

DOI: 10.1038/s41586-022-04854-3.

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