我国联合科研团队在量子计算领域取得重要突破：浙江大学物理学院王浩华、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队，在自主研制的 125 比特 “天目 2 号” 超导量子芯片上，首次实现了有限温度下稳定存在的新型拓扑边缘态。这一成果以《超导处理器上的拓扑预热强零模式》为题，于 2025 年 8 月 27 日发表在国际权威期刊《自然》上。

核心突破：从 “绝对零度” 到 “带温度” 的量子物态

拓扑边缘态是凝聚态物理中的一种新奇量子物态，其核心特性是受对称性保护的抗干扰能力，在量子信息存储与传输中具有潜在应用价值。然而，传统拓扑边缘态仅能在接近绝对零度（-273.15℃）的理想环境中稳定存在，一旦温度升高，热激发会破坏其结构，导致量子信息丢失。

此次突破的关键在于提出并验证了预热化（prethermalization）机制：通过设计量子芯片的耦合结构，系统内部会涌现出额外的对称性，形成类似 “防护罩” 的效果，抑制热激发与边缘态的相互作用。实验中，研究团队在 “天目 2 号” 芯片上构建了一条由 100 个粒子组成的一维拓扑链，经过约 270 层量子线路演化后发现，即使存在大量热激发，链两端的拓扑边缘态仍能维持与零温基态相近的寿命。这意味着人类首次在非无序、有限温环境中实现了稳定的拓扑边缘态，为量子信息处理提供了新的物理基础。

技术支撑：百比特超导量子芯片的突破

实验成功的基础是浙江大学自主研发的 “天目 2 号” 超导量子芯片，其核心指标达到国际先进水平：

• 规模与操控能力：拥有 125 个超导量子比特，支持高保真度的并行量子逻辑门操作，单比特门保真度 99.95%，双比特门保真度 99.5%；
• 抗干扰设计：通过二聚化耦合强度设计，在长链中形成特定的能量分布，使热激发难以破坏边缘态的稳定性；
• 测控系统：配套的百比特量子测控系统实现了 100 比特同步高精度操控，为观察复杂量子多体行为提供了保障。

这种芯片不仅为本次实验提供了平台，还为探索新型量子物态、验证量子信息理论提供了通用工具。例如，研究团队进一步利用稳定的拓扑边缘态编码并制备了逻辑贝尔态，展示了其对热扰动的鲁棒性。

科学意义与应用前景

1. 基础物理突破
   该研究建立了一种可行的数字量子模拟方法，首次在实验中验证了预热化机制对拓扑边缘态的保护作用，为有限温度下探索拓扑物质提供了新范式。传统依赖 “多体局域化” 的方法需要引入无序结构，成本高昂且稳定性存疑，而预热化机制无需无序，为量子物态调控开辟了新路径。

2. 量子计算实用化的关键一步
   量子信息的脆弱性是当前量子计算发展的主要瓶颈之一。稳定的拓扑边缘态可用于构建抗噪声的量子存储与操控技术，例如：

   • 逻辑量子比特：将多个物理比特编码为一个逻辑比特，提升信息存储的稳定性；
   • 量子通信：利用拓扑边缘态的抗干扰特性，优化量子密钥分发和信息传输协议。

3. 国际竞争格局的影响
   目前，中美在超导量子芯片领域的技术差距已缩小至约两年。“天目 2 号” 的成果标志着中国在量子芯片设计、复杂量子态操控等关键技术上达到国际领先水平，为未来实现量子纠错和通用量子计算奠定了基础。

未来方向

研究团队表示，下一步将探索如何将预热化机制与量子纠错码结合，进一步提升量子系统的容错能力。同时，“天目 2 号” 芯片的模块化设计预留了上千比特扩展能力，为构建更大规模的量子处理器提供了可能。这一成果不仅是中国量子计算领域的里程碑，也为全球量子信息科学注入了新的活力。