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量子霍爾效應是凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本現象，人們發(fā)展了拓撲能帶理論來(lái)研究此類(lèi)拓撲物態(tài)，發(fā)現量子霍爾系統的能帶結構是和系統的邊界態(tài)密切相關(guān)的，即存在體相與邊緣的對應，并利用陳數來(lái)區分不同的拓撲結構，以陳絕緣體來(lái)描述相關(guān)拓撲物態(tài)。陳絕緣體材料可通過(guò)第一性原理計算預測，實(shí)驗合成并檢測，過(guò)去幾年出現了系列創(chuàng )新性成果，并有望發(fā)展出具有實(shí)用價(jià)值的器件。
隨著(zhù)量子系統調控技術(shù)的發(fā)展，人們也利用各種人工可控量子系統來(lái)模擬陳絕緣體并揭示其性質(zhì)。超導量子計算系統具有運行穩定，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(gè)量子比特的梯子型量子芯片，成功實(shí)現了具有不同陳數的多種陳絕緣體的模擬，并展示了理論預測的體邊對應關(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(shí)驗中精確控制其量子比特之間的耦合強度，并降低比特間串擾, 實(shí)現了一維和梯子型比特間耦合的構型。團隊設計的模擬方案是將二維陳絕緣體格點(diǎn)模型的一個(gè)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(lái)實(shí)現其模擬。
基于同樣的思想，雙層二維陳絕緣體則可以利用兩個(gè)一維鏈狀平行耦合，形成梯子型比特間耦合的量子芯片實(shí)現，而人工維度相位控制還可實(shí)現雙層陳絕緣體不同的耦合方式。這樣即實(shí)現了不同陳數的陳絕緣體。
陳數是一種拓撲不變量，用于分類(lèi)物理系統的所處的不同的拓撲相。陳絕緣體是一種具有破壞時(shí)間反演對稱(chēng)性的二維拓撲材料。
團隊通過(guò)激發(fā)特定量子比特、測量不同本征態(tài)能量的方案，直接測量拓撲能帶結構并觀(guān)測系統拓撲邊界態(tài)的邊界局域的動(dòng)力學(xué)特征，在超導量子模擬平臺證實(shí)了拓撲能帶理論中的體邊對應關(guān)系。此外，利用全部30個(gè)量子比特，在超導量子模擬平臺上通過(guò)模擬雙層結構陳絕緣體，實(shí)驗上首次觀(guān)察到了具有零霍爾電導（零陳數）的特殊拓撲非平庸邊緣態(tài)。另外，實(shí)驗上還探測到了具有更高陳數的陳絕緣體。
該工作通過(guò)精確控制超導量子比特系統及讀出的技術(shù)方案，實(shí)現對量子多體系統拓撲物態(tài)性質(zhì)的復現與觀(guān)測，也表明團隊30比特梯子型耦合超導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(shí)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(shí)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(fǎng)者供圖）
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