中國科學院自研“莊子”號一維 43 比特量子芯片，觀測到量子泵浦中拓撲與無序的相互影響

中國科學院物理研究所 / 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員范桁、副研究員許凱、研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠等，在超導量子芯片制備、超導量子計算和量子模擬領域取得系列進展。

該團隊自主設計并制備了“莊子”號一維 43 比特量子芯片，并利用此芯片實現(xiàn)展示了霍夫施塔特蝴蝶能譜�？蒲腥藛T在“莊子”號上構建了固態(tài)量子系統(tǒng)中的 Thouless 泵浦，探討了 Thouless 泵浦中拓撲與無序的競爭和相互影響，實驗觀測到準周期相互作用無序誘導的拓撲泵浦。

IT之家注：泵浦是周期性改變狀態(tài)來輸運物質的機械設備。1983 年，英國物理學家 David J. Thouless 提出量子泵浦概念。隨后，他提出的量子泵浦現(xiàn)象被稱為 Thouless 泵浦。

近年來，由于 Thouless 泵浦與整數(shù)量子霍爾效應具有相同的拓撲性質，引起了實驗和理論物理學家的關注。即使在引入無序情況下，Thouless 泵浦會受到拓撲保護，具有一定的魯棒性。近期，拓撲安德森絕緣體被提出。該物相給出反直覺的物理，即無序也可以將拓撲平庸系統(tǒng)誘導為拓撲非平庸系統(tǒng)。

該研究運用弗洛凱周期調控技術構建了 Rice-Mele 模型，通過絕熱調制模型參數(shù)觀測到不同參數(shù)調控軌跡下的 Thouless 泵浦過程。研究驗證了單位調控周期粒子的輸運位移取決于參數(shù)調控軌跡的拓撲數(shù)。進一步，研究通過引入格點勢能無序觀測到輸運魯棒性。研究還通過調制拓撲平庸雙圈參數(shù)調控軌跡，觀測到格點勢能無序誘導的量子泵浦過程。同時，實驗觀測到 Thouless 泵浦在引入相互作用無序情況下的魯棒性。特別是，通過調控拓撲平庸的不包含原點的單圈參數(shù)調控軌跡，實驗觀測到準周期相互作用無序誘導的拓撲泵浦。這一成果可看作是拓撲安德森絕緣體的動力學版本，亦是實驗上的首次觀測。

相關研究成果已于 1 月 2 日發(fā)表在《自然-通訊》上，IT之家附論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55343-2