Realization of decoherence-induced averaged symmetry-protected topological phases on quantum processors

在量子世界中，物质可以组织成由原子排列之外的、不可见的、纠缠的连接所定义的形状。这些被称为拓扑相，它们具有极强的鲁棒性；你可以拉伸、扭转或摇晃这种材料，其基本性质依然保持不变。几十年来，科学家们一直在完美的隔离系统中研究这些形状，在这些系统中，量子态是纯净且无瑕疵的。在这些理想的环境下，形状的稳定性依赖于一条严格的规则：对称性。可以将这种对称性想象为一条系统在每一时刻都必须遵守的法则，确保材料的边缘以特定的方式受到保护。然而，现实世界很少是完美的。量子系统不断受到环境的轰炸，导致信息的丢失，即退相干。这种噪声将纯净、锐利的量子态变成了一种混乱的可能性混合体。长期以来，物理学家一直认为这种混乱会破坏脆弱的拓扑形状，冲刷掉维持其结构的对称性。主流观点认为，一旦系统变成了一个混合的、多噪声的系综，其特殊的拓扑特性就会消失，只留下平凡且无趣的状态。

一组研究人员现在挑战了这一假设，他们证明了噪声在受到精心控制时，实际上可以创造出一种新型的拓扑序。通过使用可编程量子处理器，他们展示了即使在系统遭受退相干的情况下，一种对称性仍然可以存续——不是在每一个单独的实例中，而是在平均意义上。他们从一个一维量子比特链开始，这种链按照一种被称为“簇态”的特定模式排列，而簇态以其受保护的边缘而闻名。随后，他们引入了一种特定类型的噪声：在链上的每隔一个链路上随机翻转量子态。在实验的任何单次运行中，这种噪声都会扰乱系统，破坏通常保护该形状的严格对称性。然而，当研究人员观察成千上万次运行后的组合结果时，一个令人惊讶的模式出现了。对称性并未消失；它只是改变了本质。它不再是适用于每一时刻的刚性法则，而变成了一种仅在不同的噪声结果融合在一起时才成立的平均法则。这种被研究人员称为“平均对称保护拓扑相”的新状态证明，即便在单次噪声快照中是不可见的，拓扑结构仍然存在，并编码在系统的统计混合之中。

为了证明这一点，该团队必须发明一种全新的数据观察方式。标准的测量方法（即观察系统一次并记录结果）之所以失败，是因为噪声导致信号相互抵消。这就像试图通过听取一千个不同人在略微不同的时间和音高下演唱同一段旋律来聆听一段旋律；声音只会变成一种混乱的嗡嗡声。为了穿透这种混乱，研究人员使用了一种技术，即同时准备两个完全相同的噪声系统副本。通过以特定方式比较这两个副本，他们可以过滤掉随机噪声，揭示隐藏在平均值中的底层结构。他们测量了一个被称为“弦关联”的属性，它就像一根长程线索，连接着链的两端。在单个副本中，随着噪声的增加，这根线索表现出断裂和消褪的迹象。但当他们使用双副本方法时，这根线索依然强韧且完整，证明了拓扑序在噪声中幸存了下来。这是对一种仅存在于混合态领域的新型量子物质的直接观测，在这种状态下，序是由许多可能性的集体行为而非单一、完美的现实所定义的。

研究人员还检查了系统的内部能量结构，以观察噪声如何重塑量子景观。他们发现，虽然噪声改变了能级分布，但并未破坏标志着受保护边缘存在的特征性能级配对。在完美系统中，这些边缘态是成对出现的，这是拓扑保护的特征。当引入噪声时，系统并未失去这种配对；相反，噪声只是将系统的权重转移到了不同的扇区，创造出一种更复杂的模式，其中配对结构在每个部分内依然清晰可见。这证实了拓扑保护足以承受工程化的退相干。该实验是在拥有多达四十个量子比特链的量子硬件上进行的，结果与理论预测高度吻合。团队展示了通过精心设计的噪声，他们可以将一个具有严格、强对称性的系统转化为具有较弱、平均对称性的系统，而不会丢失使该系统变得特别的拓扑序。

这项工作为理解量子物质在现实、多噪声世界中的行为开启了一扇新门。它表明，我们并不需要消除所有的噪声来保持量子特性；相反，我们或许能够将噪声作为一种资源加以利用。通过设计由平均对称性保护的拓扑序系统，我们可以创造出更具韧性的量子材料，而这些材料不需要完美的隔离这种不可能实现的条件。这项研究为利用当前的量子处理器来探索这些混合态相提供了清晰的路径，表明现实世界中混乱、退相干的本质并不一定意味着量子序的终结。相反，它揭示了一个更丰富的景观，在那里，秩序可以从许多混沌轨迹的平均值中涌现，为我们如何构建和保护未来的量子技术提供了全新的视角。