量子计算机承诺解决当前计算机无法解决的问题，但它们的基本单元（量子比特）极其脆弱。即使是微小的干扰也可能会破坏它们所携带的所有精细量子信息。
现在，由中国科学技术大学的潘建伟领导的团队在克服这一挑战上取得了重要进展。
在他们最新的论文中，他们报告了创建一个即使在震动时也能保持稳定的量子块。这一成就得益于强大的可编程超导量子处理器“祖冲之2”。
稳固的量子块的重要性
要理解这项工作的意义，可以想象在拥挤的房间里走动时，试图让一个肥皂泡保持完整。这大致上就是保持量子信息的难度。
传统的错误纠正方法有所帮助，但它们复杂且需要许多额外的量子比特。潘的团队采取了不同的方法，转向了拓扑学，这是一门研究形状整体特征的数学领域。
在拓扑相态中，某些特性变得异常稳健，因为它们依赖于这些全局特征而不是脆弱的局部细节。研究人员已经探索了在其边缘出现的保护态的拓扑材料。
然而，中国团队的目标是更难以捉摸的目标：高阶拓扑相态，其中保护态聚集在更小的区域，如角落。这些“角落模式”并不是绝对不可打破的，但它们对干扰的抵抗力可能比普通量子态更强。
这个项目特别具有挑战性，因为团队专注于这些相态的非平衡版本——这些系统不断演变或受到外部力量的驱动，而不是趋向于一个稳态。
这种相态在材料中并不常见，科学家们缺乏可靠的工具来测试和观察这些相态。
实现高阶拓扑行为
为了解决这一问题，研究人员使用了他们的祖冲之 2超导处理器的一部分，排列了一个6×6的量子比特网格，用作可编程量子模拟器。
由于该处理器可以像量子版本的中央处理单元一样重新配置，团队能够设计精确的量子比特相互作用，以模拟一种具有高阶拓扑行为的合成材料。
然后，他们应用了一系列受控操作，以产生他们所寻求的非平衡拓扑相。检测这些相需要一种新的策略：他们不再关注静态特性，而是测量量子比特行为的演变。
通过跟踪这些动态变化，他们识别出了角落模式的特征签名，确认成功模拟了平衡和非平衡的高阶拓扑相态。
“在这项研究中，我们使用二维可编程超导量子处理器实现了平衡态和非平衡态的高阶拓扑相，”研究作者指出。
简而言之，团队利用量子处理器构建并研究了一种自然界中不存在的物质形式，并证明它具有小型的、受拓扑保护的角落态，这些角落态的表现与普通量子比特的排列不同。
未来的可能性和挑战
研究人员创建的量子块代表了在可编程量子处理器上非平衡态高阶拓扑相的首次实验演示。
这表明，即使是目前的噪声中等规模量子处理器也可以作为多功能平台来创建和研究奇异的物质状态，为量子科学的未来带来了一个强大的新工具。
尽管这项工作尚未创造出完全无误差的量子比特，但它展示了一个很有前景的方向——利用拓扑设计自然对某些干扰不那么敏感的量子态。
如果这样的保护模式如果能被应用到未来的硬件中，它们可能成为更可靠的 量子存储器 或逻辑单元的基础。这可能进一步推动大规模量子计算的发展，用于复杂模拟、高级材料设计或人工智能研究等任务。
然而，重要的挑战仍然存在。例如，这里展示的保护角态（protected corner states）存在于一个经过精心控制的模拟环境中，而不是在物理材料中。它们在现实世界噪声下的稳定性仍需进行彻底测试，并且该方法需要大幅扩展，远远超过6×6量子比特阵列，才能在实际机器中发挥作用。
接下来的步骤包括探索量子比特之间的相互作用，研究更复杂的拓扑相，并应用该方法研究定制设计的量子材料——无论是在平衡状态还是非平衡状态。
这项研究成果刊登在《科学》期刊上。
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