在超导处理器上探索量子临界性的非平凡拓扑

为何量子涨落对未来技术至关重要

日常材料如磁体和超导体的奇异行为，源自无数微小量子粒子协同行动。物理学家长期以来利用这种集体现象对物质的不同“相”进行分类，例如固体与液体，或在边缘导电的更奇异态。本文探讨一种特别微妙的量子相，恰处于两种有序形态之间的临界点。借助大型超导量子处理器，研究者表明即便在这一脆弱的平衡点上，隐藏的组织模式仍然存在，并且可能作为量子技术的资源加以利用。

临界点处的新型有序

传统上，物质相的区分依赖于系统某些对称性是否被破缺——例如磁体选定了一个优先方向。近来，科学家们发现了“拓扑”相，其关键信息并不存储于任何局域模式，而是存在于量子态及其纠缠的全局特征中。通常认为这些相依赖于能隙来保护它们免受扰动。本文所述工作挑战了这一直觉，聚焦于一个在特殊量子临界点处无能隙的模型，该点使系统处于普通的磁有序相与拓扑相之间的边缘。理论预测尽管缺乏能隙，该临界点仍保留区分其与更传统临界系统的稳健边缘特征。

构建一个包含100个量子比特的量子自旋环

为探测这些微妙效应，团队使用了一款包含125个量子比特的翻片超导处理器，其中100个被配置成一维环。每个量子比特可独立控制与读出，邻近比特对通过可调耦合器连接以实现精确的纠缠门。研究者并没有直接在器件上工程化目标模型的全部多体相互作用，而是采用变分策略：设计紧凑的量子门序列，其可调转角在经典计算机上为小系统优化。利用模型的均匀结构，他们将这一做法外推到更大的环上，制备低能量量子态，这些态在临界点上近似基态与第一激发态，而无需在设备上对100比特电路进行精细调谐。

读取隐藏的纠缠模式

尽管这些制备态能量很低，但它们并不完全展示理想无限系统的所有微妙长程特征。为揭示底层结构，作者采用了一种称为纠缠哈密顿量层析的技术。他们反复以多种精心选择的方式测量100比特环的不同片段，然后利用经典优化重构一个有效的“纠缠哈密顿量”，以刻画每个片段与系统其余部分的量子关联。通过这一重构对象，他们可以计算出临界行为的标准指纹，例如自旋间随距离的相关衰减以及一块区域的纠缠熵随其大小的增长。提取到的数据符合与著名伊辛模型相同普适类的理论预期，证实实验确实达到了预期的量子临界区。

在无真实边界的情况下发现类似边缘的模态

最引人注目的结果来自对纠缠谱的研究，纠缠谱为子系统中量子信息的组织提供了更精细的视角。理论预测，对于该特殊临界模型，纠缠谱应显示与涌现边缘模态相关的稳健二重简并，尽管物理系统是一个封闭的无边界环。利用重构得到的密度矩阵，研究者为不同长度的片段计算了该谱，并在最低能级处普遍观察到预期的成对结构。随着片段增大，这种模式变得更加清晰，呈现出共形场论特征的塔式排列，揭示了体相临界行为与仅由纠缠编码的类边界特征之间的深层联系。

这对量子物质与量子机器意味着什么

通俗地说，这项研究表明某些类型的拓扑序可以在相变边缘幸存，即使系统没有通常的保护性能隙。通过在嘈杂但可编程的量子处理器上巧妙制备可及的低激发态，并利用基于纠缠的重构“看穿”实验不完美，作者提供了实验证据，表明这些临界态包含隐藏的、类似边缘的量子模态。这提示未来的量子模拟器并不总是需要达到完美的基态来揭示丰富的物理：经过精心选择的低能态，结合智能的分析工具，可能已经编码了关于奇异量子相及其相变的关键普适信息。

引用: 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

关键词: 量子相变, 拓扑序, 纠缠谱, 超导量子比特, 量子模拟