中国“祖冲之 2 号”实现量子体系突破为高端量子仪器产业化铺路

近日，在量子科技领域取得里程碑式突破。依托我国自主研发的可编程超导量子处理器 “祖冲之 2 号”，研究团队首次在量子体系中成功实现并探测高阶非平衡拓扑相（HOTPs），相关研究成果以 “Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor” 为题，于 11 月 28 日发表在国际顶级学术期刊《科学》上，标志着我国量子模拟技术在复杂拓扑物态探索领域跻身世界前列，为高端量子仪器的工程化研发与量子优势实现奠定关键基础。

据悉，高阶拓扑相是凝聚态物理与量子模拟领域的前沿方向，其打破传统体 - 边对应关系，在低维边界存在特殊局域态，而非平衡拓扑相更具备拓扑抽运、动力学拓扑相变等平衡体系缺失的独特特性，为量子态高精度操纵提供了全新可能。长期以来，二维非平衡高阶拓扑相的实验实现面临两大核心难题：量子体系中高阶非平衡拓扑哈密顿量的精确设计，以及非平衡拓扑性质的直接探测。

作为此次实验的核心支撑平台，“祖冲之 2 号” 超导量子处理器凭借三大核心技术优势破解了上述难题。该处理器基于 6×6 二维量子比特阵列，具备高精度可编程架构，可实现量子比特频率与耦合强度的动态调控，成功完成多达 50 个 Floquet 周期的演化操作，灵活构建出复杂的高阶拓扑哈密顿量；通过系统化优化与精密标定，处理器展现出高稳定性运行表现，保障了长时间量子演化过程中的相干性，为四种不同类型非平衡二阶拓扑相的稳定实现提供了硬件保障；同时，其与研究团队开发的通用动力学拓扑测量框架深度配合，实现了对拓扑相能谱、动力学行为及拓扑不变量的系统性探测，达成 “实验实现 - 性质表征” 的完整闭环。

“这一工作在以往一维实验基础上取得重要突破，扩展到二维体系是一次显著提升，展示了丰富的实验能力。” 国际审稿人对该成果给予高度评价，认为研究团队发展的非平衡拓扑物态测量与分析方法兼具新颖性与实用性。

此次突破不仅推动拓扑物理研究迈入量子非平衡体系新阶段，更为高端量子仪器研发指明了方向：进一步强化多比特协同调控能力，升级可编程技术以适配复杂物理体系模拟需求；在扩大量子比特规模的同时，通过材料优化、误差校正等技术提升相干时间，破解规模化应用中的稳定性瓶颈；推动量子探测模块与处理器深度融合，开发专用测量接口与分析算法，提升仪器一体化功能。

据了解，该研究得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委员会、中国科学院及安徽省、上海市、山西省、山东省、合肥市、济南市等多方支持，体现了我国对量子科技领域核心仪器自主研发的战略重视。业内专家指出，随着拓扑量子计算、量子模拟等领域对硬件平台的需求持续增长，以 “祖冲之 2 号” 为代表的超导量子处理器有望在政策扶持与市场驱动下，加速从实验室原型向工程化产品转化，推动我国量子仪器自主化水平与产业竞争力全面提升。