拓扑有序物质，表现出长程量子纠缠。然而，在真实材料中测量这种缠结是极其棘手的。今日，悉尼大学Stephen D. Bartlett在Science上发表评述 ，编程物质的量子相。在非常低的温度下，部分材料可能会凝结成奇异的物质相，其中量子纠缠，成为控制其行为的主要特征。这些量子相，是一个不同于固体、液体、气体和等离子体的普通状态的世界，并表现出奇异的性质，例如以不寻常的方式相互干涉的准粒子激发。从应用的角度来看，这些量子相位可能在提高量子存储设备（量子计算机中的关键组件）的鲁棒性方面发挥关键作用。然而，尽管理论学家已经预言了这些量子相在各种条件下的存在，但具有长程纠缠的量子相，极难在实验上实现。在本期的第1237和1242页上，Satzinger等人（1）和Semeghini等人（2），通过使用耦合超导电路和原子阵列，分别提供了对这些量子相及其关键特征的直接观察。量子相有很多种，超导和玻色-爱因斯坦凝聚是两个著名的例子。受凝聚态物理基本问题的启发，以及对量子信息系统的潜在影响，研究人员一直在研究自旋之间的长程纠缠模式。自旋之间的量子关联可以是长程的和“拓扑的”，这意味着关联在连续的局部形变下是不变的。由于这个原因，物质的这种奇异量子相被称为“拓扑有序”。在拓扑有序的量子相中，研究得最好的，是那些打破时间反演对称性的量子相，这意味着如果时间倒流，它们会表现出不同的行为。非时间对称拓扑相，一个关键实验特征是，其强大的边缘模式，这是沿着材料外缘运行的持续电流。其中一个例子是分数量子霍尔效应，导致了大量拓扑绝缘体和超导体的发现。相反，量子计算机架构师，对在时间反转下对称的拓扑有序相位更感兴趣，因为这样的相位可用于纠错，因此，有助于保护量子信息免受噪声、扰动和其他有害影响。然而，由于时间对称的拓扑相，不具有边缘模，传统的方法，不能用来探测长程纠缠特性，而这对于实现其用于量子纠错的潜力是必要的。由于长程纠缠的本质，人们无法通过检查局部区域来了解材料的性质，而必须探测穿越整个体积的量子关联。观察一个系统的这种非局域性质，需要对单个量子成分进行精细的控制，以及纠缠相互作用和精确的测量。对复杂的多组件量子系统的单个组件，这种控制水平直到最近才成为可能，这要归功于最先进的量子计算设备，尽管这些设备仍处于初级阶段。Satzinger等人，使用一种新生量子处理器，由31个耦合的超导量子器件二维阵列组成。这款名为Sycamore的处理器，在2019年登上了头条新闻，声称“量子霸权”，即比传统超级计算机更快地执行某些计算任务的能力（3）。通过执行一个简短的量子程序，Satzinger等人使用Sycamore将Toric代码（4）的最低能量状态缝合在一起，这是可用于量子纠错的拓扑有序量子相位的典型示例。这与另一个短量子程序一起允许测量长程纠缠。他们还创建了额外的程序，来模拟准粒子的产生，并进行量子干涉实验，以说明准粒子的预期行为。作者还证明了量子信息，可以被编码到复曲面码中，保护它不出错，并且该量子信息可以随后再次被读出。这些特性说明了，当按比例放大量子架构时，复曲面代码，如何成为包含错误的方法中的中心支柱。Semeghini等人的共同目标是创建和探索，与复曲面代码相关的拓扑有序相位的特性。实验使用了一个由219个原子组成的量子模拟器，这些原子通过光镊排列在一个二维晶格上。通过控制相邻原子之间的相互作用，晶格被诱导成拓扑有序相。与Sycamore处理器一样，这个原子量子模拟器是可编程的。在量子处理器上运行程序，并监测处理器的219个原子之间的长程纠缠特性。具体来说，测量了这些量子关联，是如何沿着一条曲折的路径在自旋之间建立的，这产生了直接反映量子相位拓扑顺序的数据。如Satzinger等人、Semeghini等人通过展示一位编码信息可以被再次读出，演示了如何将量子信息编码到系统中，并建立了创建量子存储器的路径。下图展示的是一个艺术家的概念，即如何通过使用量子处理器来构建拓扑相。左边的电路代表一个量子电路，可以被控制，以形成特定的长程纠缠模式。长程纠缠的模式，即拓扑量子相的标志。在右边用波浪线表示，其中一些形成闭环，一些具有延伸到边缘的开弦。这两个实验代表了首次明确检测，具有时间反演对称性的拓扑有序相位。这两个实验都不是通过使用新材料实现的，这是通常的情况。相反，这一成就实际上是通过量子处理器实现的。尽管处理器，提供了一种机制来创建长程纠缠的量子态，但最关键的贡献是，提供了一种方法来测量表征，拓扑顺序的长程纠缠结构（见图）。Satzinger等人和Semeghini等人。说明量子计算机技术，作为探索量子多体系统的工具的潜力。为了在计算期间保护量子信息，还必须初始化、操纵和测量这些代码中的量子信息，并且使用对错误具有容忍度的电路。对于实际应用，错误率必须从两个实验所达到的水平进一步降低。并且关键的是，量子纠错，将需要对用于检测错误的校验算子，进行重复测量，并且通过解码这些测量，来更新逻辑信息。这不仅需要强大的量子处理器，还需要高度集成的经典处理器和控制器（5）。尽管在实现实际有用的量子处理设备，仍然存在挑战。但在量子计算机方面，利用拓扑有序量子相位进行纠错，这两个实验标志着极其重要的第一步。参考文献
1. K. J. Satzinger et al., Science 374, 1237 (2021).
2. G. Semeghini et al., Science 374, 1242 (2021).
3. F. Arute et al., Nature 574, 505 (2019).
4. A. Kitaev, Ann. Phys. 303, 2 (2003).
5. S. J. Pauka et al., Nat. Electron. 4, 64 (2021).
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8910
DOI: 10.1126/science.abl8910
本文译自Science。