Utforska icke‑trivial topologi vid kvantkritikalitet på en supraledande processor

Varför kvantfluktuationer spelar roll för framtida teknik

Vardagsmaterial som magneter och supraledare får sina märkliga egenskaper från oräkneliga små kvantpartiklar som agerar tillsammans. Fysiker har länge använt detta kollektiva beteende för att klassificera olika ”faser” av materia, såsom fasta ämnen och vätskor, eller mer exotiska tillstånd som leder elektricitet endast längs sina kanter. Den här artikeln undersöker en särskilt subtil typ av kvantfas som ligger precis vid en balanspunkt mellan två former av ordning. Med hjälp av en stor supraledande kvantprocessor visar forskarna att även vid denna känsliga jämviktspunkt överlever dolda organiseringsmönster och kan utnyttjas som en resurs för kvantteknologi.

En ny sorts ordning vid brytpunkten

Traditionellt skiljer man faser av materia genom om någon symmetri i systemet bryts—for exempel när en magnet väljer en föredragen riktning. På senare tid upptäckte forskare ”topologiska” faser, där den avgörande informationen inte lagras i något lokalt mönster utan i globala egenskaper hos kvanttillståndet och dess intrassling. Dessa faser anses vanligtvis bero på ett energigap som skyddar dem mot störningar. Arbetet i denna artikel ifrågasätter den intuitionen genom att fokusera på en modell som saknar gap vid en särskild kvantkritisk punkt, där systemet balanserar mellan en ordinär magnetiskt ordnad fas och en topologisk fas. Teori förutspår att trots avsaknaden av ett gap så behåller denna kritiska punkt robusta kantegenskaper som skiljer den från ett mer konventionellt kritiskt system.

Att bygga en 100‑kubitars kvantspinnring

För att undersöka dessa känsliga effekter använder teamet en flip‑chip supraledande processor med 125 kubiter, varav 100 konfigureras till en endimensionell ring. Varje kubit kan styras och avläsas individuellt, medan par av grannar kopplas samman med justerbara kopplare som implementerar precisa intrasslande grindar. Istället för att direkt konstruera de fulla många‑kroppsinteraktionerna i målmodellen antar forskarna en variational strategi: de designar en kompakt sekvens av kvantgrindar vars justerbara rotationsvinklar optimeras på en klassisk dator för små system. Genom att utnyttja modellens homogena struktur extrapolerar de sedan denna metod till mycket större ringar och förbereder låg‑energiska kvanttillstånd som nära approximerar grundtillståndet och det första exciterade tillståndet vid den kritiska punkten, utan att behöva fininställa en 100‑kubitars krets på enheten själv.

Avläsning av dolda intrasslingsmönster

Även om dessa förberedda tillstånd ligger mycket lågt i energi, visar de inte perfekt alla de subtila långräckande dragen hos ett idealiskt oändligt system. För att avslöja den underliggande strukturen vänder sig författarna till en teknik som kallas entanglement Hamiltonian tomography. De mäter upprepade gånger olika segment av 100‑kubitarsringen på många noggrant valda sätt och använder därefter klassisk optimering för att återskapa en effektiv ”entanglement Hamiltonian” som fångar hur varje segment är kvantmässigt kopplat till resten av systemet. Från detta rekonstruktion kan de beräkna standardavtryck för kritiskt beteende, såsom hur korrelationer mellan spinn avtar med avstånd och hur intrasslingsentropin för ett block växer med dess storlek. De extraherade värdena stämmer överens med teoretiska förväntningar för samma universalitetsklass som den välkända Ising‑modellen, vilket bekräftar att experimentet faktiskt nått det avsedda kvantkritiska regimet.

Avslöja kant‑lika lägen utan riktiga kanter

De mest slående resultaten kommer från att undersöka intrasslingsspektrumet, vilket är en förfinad bild av hur kvantinformationen i en delsystem är organiserad. Teori förutspår att för denna särskilda kritiska modell ska intrasslingsspektrumet visa en robust tvåfaldig degenerering kopplad till framväxande kantlägen, trots att det fysiska systemet är en sluten ring utan verkliga gränser. Med sina rekonstruerade täthetsmatriser beräknar forskarna detta spektrum för segment av olika längd och observerar den förväntade parvisa strukturen i de lägsta nivåerna överallt. När segmenten växer skärps mönstret till en tornliknande ordning karaktäristisk för konforma fältteorier, vilket avslöjar en djup koppling mellan bulk‑kritiskt beteende och gränsliknande egenskaper kodade enbart i intrassling.

Vad detta betyder för kvantmateria och kvantmaskiner

Enkelt uttryckt visar studien att vissa typer av topologisk ordning kan överleva precis på randen till en fasövergång, i system utan det vanliga skyddande energigapet. Genom att skickligt förbereda tillgängliga låg‑liggande tillstånd på en brusig men programmerbar kvantprocessor och sedan använda intrasslingsbaserad rekonstruktion för att ”se igenom” experimentella imperfektioner, ger författarna experimentella bevis för att dessa kritiska tillstånd hyser dolda, kant‑lika kvantlägen. Det antyder att framtida kvantsimulatorer inte alltid behöver nå perfekta grundtillstånd för att avslöja rik fysik: noggrant valda låg‑energiska tillstånd, kombinerat med smarta analysoch verktyg, kan redan koda den väsentliga universella informationen om exotiska kvantfaser och deras övergångar.

Citering: Tan, Z., Wang, K., Yang, S. et al. Exploring nontrivial topology at quantum criticality on a superconducting processor. Commun Phys 9, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02569-9

Nyckelord: kvantfasövergångar, topologisk ordning, intrasslingsspektrum, supraledande kubiter, kvantsimulering