【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】拓?fù)湮飸B(tài)是凝聚態(tài)物理中大家關(guān)注的問題，其拓?fù)湫詴?huì)展現(xiàn)出體態(tài)和邊界態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，高階拓?fù)湎到y(tǒng)具有同樣的性質(zhì)，一般而言，對于m階的高階拓?fù)湮飸B(tài)，其n維體態(tài)系統(tǒng)會(huì)形成n-m維的邊界態(tài)。另一方面，拓?fù)湮飸B(tài)可以由動(dòng)力學(xué)的拓?fù)浔闷謥砜坍?，這其中高階拓?fù)浔闷值哪M實(shí)現(xiàn)是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題。
 

　　近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)量子團(tuán)隊(duì)與北京量子院、華南理工等合作，基于超導(dǎo)量子模擬平臺(tái)首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了高階拓?fù)湎嗌系耐負(fù)浔闷郑菔玖烁唠A拓?fù)湎嗟膭?dòng)力學(xué)性質(zhì)，這為進(jìn)一步研究拓?fù)浔闷峙c各種高階拓?fù)湎嗟膭?dòng)力學(xué)提供了可靠平臺(tái)。
 

　　團(tuán)隊(duì)在可調(diào)耦合架構(gòu)的超導(dǎo)量子芯片上，利用16個(gè)量子比特形成的4×4陣列模擬了高階拓?fù)浔闷值男袨?。?shí)驗(yàn)使用可調(diào)耦合超導(dǎo)量子芯片是一個(gè)包含62個(gè)比特與105個(gè)耦合器的二維陣列樣品，如圖A1-A2所示，此次實(shí)驗(yàn)中最多使用了其中虛線框出的16個(gè)比特與24個(gè)耦合器。為了制備用于高階拓?fù)浔闷值某跏剂孔討B(tài)，該工作提出一種絕熱演化的方案，最后94.9%的保真度(2×2元胞)進(jìn)行拓?fù)浔闷謱?shí)驗(yàn)(圖B1-B2)?；诓煌谋闷址桨?，即對角輸運(yùn)或非對角輸運(yùn)，占據(jù)的粒子會(huì)在4×4比特陣列的四個(gè)角上局域。研究團(tuán)隊(duì)對16個(gè)比特和24個(gè)耦合器同時(shí)施加不同類型的脈沖序列，并對量子比特進(jìn)行6000次single-shot測量記錄下了基于對角輸運(yùn)方案的動(dòng)力學(xué)過程。在原先粒子占據(jù)數(shù)均勻分布的初態(tài)上，粒子數(shù)逐漸沿著對角方向被輸運(yùn)至對應(yīng)的角落(圖C)。另一種非對角的輸運(yùn)方式也一并被展示在了圖D中。值得注意的是，這一泵浦過程受到拓?fù)浔Ｗo(hù)，其輸運(yùn)粒子數(shù)的變化與陳數(shù)(Chern Number)有關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)為此對泵浦的過程施加了on-site的無序，結(jié)果顯示其輸運(yùn)的粒子數(shù)變化呈現(xiàn)出一個(gè)受拓?fù)浔Ｗo(hù)的魯棒性平臺(tái)(圖E)。理論上，該系統(tǒng)的陳數(shù)呈現(xiàn)出量子化的臺(tái)階(1或-1)，而在實(shí)驗(yàn)上，對角泵浦方案的輸運(yùn)粒子數(shù)變化達(dá)到了0.964，與理論預(yù)言高度符合。
 

　　這一動(dòng)力學(xué)行為，標(biāo)志了高階拓?fù)湎嗟娘@著特征，即二維的拓?fù)湎嗄軌蛟诙A拓?fù)浔闷窒碌玫搅憔S的角態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)演示的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的魯棒性平臺(tái)進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)體系的拓?fù)涮匦裕@為進(jìn)一步研究高階拓?fù)湎喔嗤負(fù)鋬?nèi)稟屬性，例如糾纏熵，長程關(guān)聯(lián)等提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
 

　　本工作受到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家量子科技2030項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市科技新星計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國科學(xué)院的資助。物理所研究生鄧承林、劉宇、華南理工大學(xué)張煜然教授為該研究的共同第一作者，物理所范桁研究員、許凱副研究員和北京量子信息科學(xué)研究院于海峰研究員為共同通訊作者，文章合作者包括物理所鄭東寧、相忠誠、北京量子院薛光明、華南理工大學(xué)劉濤、湖南師范大學(xué)王接詞等。本成果以“基于超導(dǎo)量子模擬器的高階拓?fù)浔闷?rdquo;(High-order topological pumping on a superconducting quantum processor)為題， 于2024年10月1日發(fā)表， Phys. Rev. Lett. 133, 140402(2024)。
 

　　圖 超導(dǎo)量子模擬器和制備用于泵浦的初始量子態(tài)的絕熱演化方案及動(dòng)力學(xué)結(jié)果。(A1-A2) 包含62個(gè)比特的二維陣列型樣品與用于模擬的16個(gè)量子比特與24個(gè)耦合器的示意圖。(B1-B2)絕熱演化的態(tài)層析隨演化時(shí)間的變化，保真度隨演化時(shí)間的變化。 (C)對角泵浦方案的動(dòng)力學(xué)結(jié)果。(D) 非對角泵浦方案的動(dòng)力學(xué)結(jié)果。(E) 施加on-site無序后實(shí)驗(yàn)觀察到的受拓?fù)浔Ｗo(hù)的魯棒性平臺(tái)。