科學家利用超導量子芯片模擬多種陳絕緣體

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量子霍爾效應是凝聚態物理學中的基本現象，人們發展了拓撲能帶理論來研究此類拓撲物態，發現量子霍爾系統的能帶結構是和系統的邊界態密切相關的，即存在體相與邊緣的對應，并利用陳數來區分不同的拓撲結構，以陳絕緣體來描述相關拓撲物態。陳絕緣體材料可通過第一性原理計算預測，實驗合成并檢測，過去幾年出現了系列創新性成果，并有望發展出具有實用價值的器件。

隨著量子系統調控技術的發展，人們也利用各種人工可控量子系統來模擬陳絕緣體并揭示其性質。超導量子計算系統具有運行穩定，通用性強的優勢，將是模擬陳絕緣體的理想平臺。

近日，中國科學院物理研究所研究員范桁與副研究員許凱團隊，聯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系，成果發表于《自然—通訊》雜志。

合作團隊制備了高質量的具有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，并降低比特間串擾, 實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，而人工維度相位控制還可實現雙層陳絕緣體不同的耦合方式。這樣即實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間反演對稱性的二維拓撲材料。

團隊通過激發特定量子比特、測量不同本征態能量的方案，直接測量拓撲能帶結構并觀測系統拓撲邊界態的邊界局域的動力學特征，在超導量子模擬平臺證實了拓撲能帶理論中的體邊對應關系。此外，利用全部30個量子比特，在超導量子模擬平臺上通過模擬雙層結構陳絕緣體，實驗上首次觀察到了具有零霍爾電導（零陳數）的特殊拓撲非平庸邊緣態。另外，實驗上還探測到了具有更高陳數的陳絕緣體。

該工作通過精確控制超導量子比特系統及讀出的技術方案，實現對量子多體系統拓撲物態性質的復現與觀測，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

相關論文信息：Https://doi.org/10.1038/s41467-023-41230-9