在凝聚态物理的前沿研究中,拓扑量子态不断加深人们对物质结构的理解。以往理论多建立在封闭量子系统之上,但真实系统不可避免与环境相互作用,从而产生退相干、能量耗散等开放系统效应。这使得现有理论难以直接对接实际器件与应用。为解决这个问题,研究团队将张量网络方法引入开放量子系统研究。张量网络是处理强关联多体问题的重要工具,其数学结构能够有效表征量子态的非局域纠缠。团队提出“局域纯化密度算符”(LPDO)方法,实现了对混态拓扑相的精确描述。 研究还发现,开放系统中的对称性保护呈现不同于封闭系统的新形式。封闭系统常见的是“强对称性”,而开放系统可能只满足“弱对称性”,即对称性仅在统计平均意义上成立。基于这一特点,团队系统提出“平均对称性保护拓扑相”(ASPT相)概念,并对一维、二维玻色子与费米子系统完成分类。研究继续揭示了一类只在开放系统中出现的特殊拓扑态,在理想封闭系统中没有对应形式。 该研究的意义主要体现在三点:一是建立了适用于开放系统的混态拓扑相统一框架;二是LPDO方法为复杂量子系统的数值模拟提供了新工具;三是提出了可操作的实验验证思路,为后续实证研究奠定基础。在应用层面,这一进展有望推动量子存储器、拓扑量子计算等器件研发,并为缓解量子退相干等关键瓶颈提供新的理论路径。
从封闭系统的理想模型走向开放系统的真实情形,是拓扑量子研究迈向应用的关键一步。研究以张量网络为支撑,将混态、对称性与拓扑结构纳入可构造、可分类、可验证的统一框架,不仅回应了“环境作用下拓扑是否仍然成立”的基本问题,也提示人们:在噪声与耗散并存的条件下,约束和扰动未必只带来破坏,合理的理论与工程设计同样可能催生新的量子结构与技术方向。