1907年，英国统计学家弗朗西斯·高尔顿（Francis Galton）在《自然》杂志上报道了一项有趣的统计学发现：在一次集市上，他收集了近800人对一头公牛重量的竞猜数据。结果显示，尽管绝大多数普通人的单独猜测充满了巨大的随机偏差，但当把所有杂乱无章的猜测进行平均后，得到的结果却与公牛的真实重量惊人地吻合。这种个体层面的无序与偏差，在群体平均的意义上却能恢复客观事实的现象，在神秘的微观量子世界中同样存在着令人惊叹的物理映射。在传统的量子物理图景中，无序通常被认为是破坏严格对称性、摧毁拓扑相的元凶。然而，如果我们将无数个杂乱无章的无序构型进行系综平均，能否从中孕育出新的量子秩序？近日，清华大学物理系尤力、郑盟锟团队与交叉信息研究院徐勇团队合作，利用里德堡原子阵列平台，首次在实验中观测到了由平均对称性保护的拓扑相。

图 1: (a) 无序诱导的拓扑相变示意图。(b) 里德堡原子间的范德瓦尔斯相互作用和自旋交换相互作用。 (c) 无序诱导拓扑相变。(d) 受到平均反演对称性保护的系综。

研究团队使用里德堡原子阵列作为量子模拟器，里德堡原子之间具有极强的偶极相互作用与范德华相互作用（如图1）。实验中，研究人员利用动态光镊技术将光镊的位置施加随机的位移，人为在系统中引入了结构无序。对于任何一次单一的随机排列，系统的反演对称性均被破坏，但在对大量无序构型进行平均的视角下，整个系综恢复了平均反演对称性，此外，这种无序进一步从原本拓扑平庸的系统中诱导出了受平均对称性保护的拓扑相。

在单粒子层面上，研究团队利用微波波谱学技术（如图2），证实了无序诱导的拓扑相变过程。实验测量的单粒子激发谱显示，在规则晶格中，并不存在零能边缘态；然而，当系统引入结构无序后，原本拓扑平庸的阵列涌现出了统计简并的边缘态。测量结果进一步表明，随着无序度的增加，边缘格点的激发显著提升。这直观地证明了无序可以作为一种诱导剂，在体系中激发并稳定拓扑属性。

图 2: (a) 对应两种情况的单粒子能谱。(b-c) 无序诱导的零能边界态。(d) 边界态强度随无序强度的依赖关系。

随后，团队将研究推向了具有真实范德华相互作用的多体物理区域。通过绝热演化制备出特定构型的多体基态，实验揭示了多体相互作用平均拓扑相的非平庸特征（如图3）。空间分辨的格点占据数测量表明，无序导致了显著的边缘局域行为，展现出与体态截然不同的特征。更为关键的是，对多体基态两点空间关联函数的测量给出了决定性的证据：在规则晶格中，原子的胞内关联明显强于胞间关联，表现出典型的拓扑平庸特征；而在无序阵列中，这一趋势发生了截然反转，胞间关联占据主导地位，无可辩驳地证实了由结构无序诱导的多体拓扑相的存在。

图 3: (a) 使用寻址激光完成多体初态的高保真度制备。(b, d, f) 规则晶格中的粒子激发和元胞内关联函数分布。(c, e, g) 无序晶格中的粒子激发和元胞间关联函数分布。

这项工作不仅展示了里德堡原子平台在模拟复杂多体量子问题上的巨大潜力，也为理解非平衡量子动力学提供了新的视角。它向我们揭示，在充满真实噪音的宏观物理系统中，我们有望利用这种系综层次上的平均拓扑保护，让未来的量子计算硬件在混乱中获得更强大的稳定性。

研究成果以“无序里德堡原子阵列中的平均拓扑相”（Average topological phase in a disordered Rydberg atom array）为题，于2026年4月20日发表在《自然·物理》（Nature Physics）上。清华物理系博士生岳宗沛（已毕业）、交叉信息研究院博士生茅宇峰、物理系博士生梁昕晖（已毕业）为论文共同第一作者。清华物理系郑盟锟副教授、交叉信息研究院徐勇副教授和物理系尤力教授为通讯作者。其他合作者包括清华物理系博士生华振兴、葛培云、晁雨欣、贾晨，以及交叉信息研究院的博士生李楷（已毕业）。该研究得到了国家自然科学基金、清华大学低维量子物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、量子信息前沿科学中心和合肥国家实验室的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03271-x