【資料圖】

量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本現(xiàn)象，人們發(fā)展了拓?fù)淠軒Ю碚搧硌芯看祟愅負(fù)湮飸B(tài)，發(fā)現(xiàn)量子霍爾系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)是和系統(tǒng)的邊界態(tài)密切相關(guān)的，即存在體相與邊緣的對應(yīng)，并利用陳數(shù)來區(qū)分不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以陳絕緣體來描述相關(guān)拓?fù)湮飸B(tài)。陳絕緣體材料可通過第一性原理計算預(yù)測，實驗合成并檢測，過去幾年出現(xiàn)了系列創(chuàng)新性成果，并有望發(fā)展出具有實用價值的器件。

隨著量子系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，人們也利用各種人工可控量子系統(tǒng)來模擬陳絕緣體并揭示其性質(zhì)。超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定，通用性強的優(yōu)勢，將是模擬陳絕緣體的理想平臺。

近日，中國科學(xué)院物理研究所研究員范桁與副研究員許凱團隊，聯(lián)合副主任工程師相忠誠等合作者通力合作，利用集成有30個量子比特的梯子型量子芯片，成功實現(xiàn)了具有不同陳數(shù)的多種陳絕緣體的模擬，并展示了理論預(yù)測的體邊對應(yīng)關(guān)系，成果發(fā)表于《自然—通訊》雜志。

合作團隊制備了高質(zhì)量的具有30比特的量子芯片，實驗中精確控制其量子比特之間的耦合強度，并降低比特間串?dāng)_, 實現(xiàn)了一維和梯子型比特間耦合的構(gòu)型。團隊設(shè)計的模擬方案是將二維陳絕緣體格點模型的一個維度利用傅里葉變換映射為人工控制相位，從而用一維鏈狀量子比特來實現(xiàn)其模擬。

基于同樣的思想，雙層二維陳絕緣體則可以利用兩個一維鏈狀平行耦合，形成梯子型比特間耦合的量子芯片實現(xiàn)，而人工維度相位控制還可實現(xiàn)雙層陳絕緣體不同的耦合方式。這樣即實現(xiàn)了不同陳數(shù)的陳絕緣體。

陳數(shù)是一種拓?fù)洳蛔兞?，用于分類物理系統(tǒng)的所處的不同的拓?fù)湎?。陳絕緣體是一種具有破壞時間反演對稱性的二維拓?fù)洳牧稀?/p>

團隊通過激發(fā)特定量子比特、測量不同本征態(tài)能量的方案，直接測量拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)并觀測系統(tǒng)拓?fù)溥吔鐟B(tài)的邊界局域的動力學(xué)特征，在超導(dǎo)量子模擬平臺證實了拓?fù)淠軒Ю碚撝械捏w邊對應(yīng)關(guān)系。此外，利用全部30個量子比特，在超導(dǎo)量子模擬平臺上通過模擬雙層結(jié)構(gòu)陳絕緣體，實驗上首次觀察到了具有零霍爾電導(dǎo)（零陳數(shù)）的特殊拓?fù)浞瞧接惯吘墤B(tài)。另外，實驗上還探測到了具有更高陳數(shù)的陳絕緣體。

該工作通過精確控制超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)及讀出的技術(shù)方案，實現(xiàn)對量子多體系統(tǒng)拓?fù)湮飸B(tài)性質(zhì)的復(fù)現(xiàn)與觀測，也表明團隊30比特梯子型耦合超導(dǎo)量子芯片的精確可控性

30比特梯子型量子芯片耦合強度信息。（a）15比特實驗中測量到的量子比特間（最近鄰和次近鄰）的耦合強度信息。（b）30比特實驗中測量到的量子比特間（最近鄰、次近鄰和對角近鄰）的耦合強度信息。（受訪者供圖）