近日，清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈助理教授研究組與浙江大學(xué)物理學(xué)院王震、王浩華研究組等合作，在超導(dǎo)系統(tǒng)中首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋾r(shí)間晶體的全數(shù)字化量子模擬。

時(shí)間晶體的概念最早由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）教授于2012年提出。我們?nèi)粘Ｊ煜さ木w，如鉆石、石英等，構(gòu)成它們的原子在空間上周期排列，破壞了連續(xù)的空間平移對(duì)稱性。時(shí)間晶體就是把“晶體”的特征拓展到時(shí)間維度，即系統(tǒng)的某些特性在時(shí)間上呈周期性重復(fù)，破壞了時(shí)間的平移對(duì)稱性。而拓?fù)鋾r(shí)間晶體由于具有特殊的拓?fù)湫再|(zhì)，其時(shí)間平移對(duì)稱性破缺只發(fā)生在系統(tǒng)邊界。

時(shí)間晶體的研究具有重要的基礎(chǔ)理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。自這一概念被提出以來，時(shí)間晶體在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了重要的進(jìn)展。理論方面，科學(xué)家提出了離散時(shí)間晶體的概念，并闡明了如何在周期驅(qū)動(dòng)的量子多體局域化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間晶體。實(shí)驗(yàn)方面，國際上分別有研究團(tuán)隊(duì)在離子阱、金剛石色心、核磁共振、冷原子、超導(dǎo)等量子平臺(tái)上觀測到了離散時(shí)間晶體。

拓?fù)涫菙?shù)學(xué)的一個(gè)分支，主要研究在連續(xù)變形下不變的空間屬性。例如，甜甜圈可以通過連續(xù)形變成為一個(gè)咖啡杯的形狀。因此，甜甜圈和咖啡杯在拓?fù)鋵W(xué)意義上是完全等價(jià)的。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)許多量子物相及其相互之間的轉(zhuǎn)變可以用拓?fù)涞母拍顏肀碚鳎哂蟹瞧椒餐負(fù)涞牧孔游锵嘣谙到y(tǒng)邊緣處往往會(huì)表現(xiàn)出與系統(tǒng)內(nèi)部迥異的物理特性。把拓?fù)涞母拍钆c時(shí)間晶體結(jié)合起來，就得到了拓?fù)鋾r(shí)間晶體。這是一種新奇的物質(zhì)形態(tài)。

實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋾r(shí)間晶體是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的難題。鄧東靈研究組提出了拓?fù)鋾r(shí)間晶體的理論模型，并通過人工智能算法找到了數(shù)字化量子模擬拓?fù)鋾r(shí)間晶體的優(yōu)化方案。該研究組與浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)合作，成功在實(shí)驗(yàn)上觀測到了這一新奇現(xiàn)象。

使用超導(dǎo)量子芯片模擬拓?fù)鋾r(shí)間晶體主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)?zāi)M了一條由26個(gè)超導(dǎo)量子比特組成的一維鏈，在約240層量子線路演化過程中觀測到時(shí)間平移對(duì)稱性只在系統(tǒng)邊界處（鏈的兩端）被破壞的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。這是拓?fù)鋾r(shí)間晶體不同于以往報(bào)道的常規(guī)時(shí)間晶體的核心特征。拓?fù)渑c時(shí)間晶體的結(jié)合，構(gòu)建出了一種全新的非平衡物質(zhì)相，豐富了時(shí)間晶體的種類，拓展了人們對(duì)于量子世界的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)使用的超導(dǎo)量子芯片采用易擴(kuò)展的近鄰連通架構(gòu)，具備高度的編程靈活性，可用于探索更多奇異的量子現(xiàn)象。

該研究成果實(shí)現(xiàn)了一種全新的非平衡物質(zhì)形態(tài)，創(chuàng)新性地將拓?fù)涞母拍钜氲綍r(shí)間晶體中，豐富了時(shí)間晶體的種類，展示了使用中等尺度量子芯片探索奇異量子物態(tài)的巨大潛力。

該成果論文《弗洛凱對(duì)稱性保護(hù)拓?fù)湎嗟臄?shù)字化量子模擬》（Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases）近日以長文形式（Article）在《自然》（Nature）期刊發(fā)表。

該論文通訊作者為清華大學(xué)交叉信息研究院鄧東靈助理教授與浙江大學(xué)物理學(xué)院王震研究員。交叉信息研究院2019級(jí)博士生蔣文杰、浙江大學(xué)2019級(jí)博士生張敘、鄧金鳳為文章共同第一作者。其他作者包括浙江大學(xué)超導(dǎo)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)部分其他成員，以及馬里蘭大學(xué)的阿列克謝·戈?duì)柺部品颍ˋlexey V. Gorshkov）教授，劉芳利博士，愛荷華州立大學(xué)托馬斯·亞迪科拉（Thomas Iadecola）教授，與科羅拉多礦業(yè)大學(xué)龔哲軒教授。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)以及上海期智研究院等支持。（來源：清華大學(xué)）