超导量子芯片模仿多种陈绝缘体 开展

时间: 2023-11-28 12:35:24 |   作者: 汽车零部件

  量子霍尔效应是凝聚态物理学中的根本现象，人们开展了拓扑能带理论来研讨此类拓扑物态，发现量子霍尔体系的能带结构是和体系的鸿沟态严密相关的，即存在体相与边际的对应，并使用来区别不同的拓扑结构，以陈绝缘体来描绘相关拓扑物态。陈绝缘体资料可经过猜测，试验组成并检测，曩昔几年呈现了系列立异性效果，并有望开展出具有实用价值的器材。

  跟着量子体系调控技能的开展，人们也使用各种人工可控量子体系来模仿陈绝缘体并提醒其性质。超导量子核算体系具有运转安稳，通用性强的优势，将是模仿陈绝缘体的抱负渠道。

  近来，中国科学院物理研讨所/北京凝聚态物理国家研讨中心，与北京量子信息科学研讨院、南开大学、华南理工大学、日本理化学研讨所等通力协作，使用集成有30个量子比特的梯子型量子芯片，成功完成了具有不一样陈数的多种陈绝缘体的模仿，并展现了理论猜测的体边对应联系，效果发表于Nature Communications 14, 5433 (2023)。

  图1 30比特梯子型量子芯片耦合强度信息。（a）15比特试验中丈量到的量子比特间（最近邻和次近邻）的耦合强度信息。（b）30比特试验中丈量到的量子比特间（最近邻、次近邻和对角近邻）的耦合强度信息。

  协作团队制备了高质量的具有30比特的量子芯片，试验中准确操控其量子比特之间的耦合强度，并下降比特间串扰，(图1和图2), 完成了一维和梯子型比特间耦合的构型。团队规划的模仿计划是将二维陈绝缘体魄点模型的一个维度使用傅里叶变换映射为人工操控相位，从而用一维链状量子比特来完成其模仿 (图3)。依据相同的思维，双层二维陈绝缘体则可经过两个一维链状平行耦合，构成梯子型比特间耦合的量子芯片完成，而人工维度相位操控还可完成双层陈绝缘体不同的耦合方法。这样即完成了不同陈数的陈绝缘体。

  图2 Z 串扰矩阵。Z串扰系数矩阵，每个元素代表着当给横轴比特施加1 arb.units起伏的 Z方波时，纵轴比特感受到的方波起伏，后续将依据该系数矩阵进行Z方波纠正。

  图3 30比特梯子型量子芯片以及映射AAH模型的试验波形序列。（a）超导量子处理器示意图，其间30个量子比特构成了梯子型结构。（b）经过在y轴进行傅里叶变换，将二维霍夫施塔特（Hofstadter）模型映射为一系列一维不同装备的 Aubry-André-Harper (AAH) 模型的调集。（c）经过改动组成维度准动量 Φ 用以组成一系列AAH模型的量子比特频率排布，其间b=1/3。（d，e）用以丈量动力学能谱（d）和单粒子量子行走（e）的波形序列。

  团队经过激起特定量子比特、丈量不同本征态能量的计划，直接丈量拓扑能带结构（图4）并观测体系拓扑鸿沟态的鸿沟局域的动力学特征，在超导量子模仿渠道证明了拓扑能带理论中的体边对应联系（Bulk-edge correspondence）（图5）。此外，使用悉数30个量子比特，在超导量子模仿渠道上经过模仿双层结构陈绝缘体，试验上初次调查到了具有零霍尔电导（零陈数）的特别拓扑非平凡边际态（图6）。别的，试验上还勘探到了具有更高陈数的陈绝缘体。

  图4 动力学光谱法丈量具有组成维度的二维陈绝缘体的能谱。（a）对应于Q8的和随时刻演化的数据，其间b=1/3，Δ/2π=12MHz, Φ=2π/3。（b）使用15个量子比特响应函数得到的傅里叶变换振幅的平方。（c）沿着比特维度将傅里叶变换振幅的平方求和。（b）使用15个量子比特参数数值核算求解的二维陈绝缘体的能带结构，其间b=1/3，Δ/2π=12MHz。（e，f）关于不同的Φ，试验（e）和数值模仿（f）得到的能谱比照。

  图5 拓扑鸿沟态的动力学特征以及拓扑电荷泵浦。（a1-a3）别离激起Q1（a1），Q8（a2），Q15（a3）丈量到的激起态概率的时刻演化，其间b=1/3，Δ/2π=12 MHz, Φ=2π/3。（b1-b3）别离使用Q1（b1），Q8（b2），Q15（b3）作为方针比特丈量得到的能谱部分信息。（c1-c3）激起中心比特Q8，丈量得到的对应于向前泵浦（c1），不泵浦（c2）和向后泵浦（c3）的激起态概率演化，其间Δ/2π=36MHz, 初始Φ0= 5π/3。（d）依据图（c1-c3）核算得到的质心跟着泵浦周期T的改变。

  图6 使用悉数30个量子比特模仿双层陈绝缘体。（a，b）试验丈量的对应于相同Δ↑(↓)/2π=12 MHz（a）和相反Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz（b）周期性调制的两条AAH一维链的构成的双层陈绝缘体的能谱，黑色虚线为对应的理论猜测值，其间b=1/3。霍尔电导界说为对一切被占有能带的陈数 Cn 的求和：σ= ∑nCn ，其间界说 e2/h=1。（c，d）挑选 Q1,↑ 和 Q1,↓ 为方针比特丈量到的对应于Δ↑(↓)/2π=12 MHz（c）和相反 Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz。（d）周期性调制体系的能谱的部分信息。（e-g）当激起鸿沟比特（Q1,↑ 或 Q1,↓），丈量到的对应于Δ↑(↓)/2π=0 MHz（e），Δ↑(↓)/2π=12 MHz（f） 和 Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz（g）的占有概率时刻演化。

  该作业经过准确操控超导量子比特体系及读出的技能计划，完成对量子多体体系拓扑物态性质的复现与观测，也标明团队30比特梯子型耦合超导量子芯片的准确可控性。该作业以 “Simulating Chern insulators on a superconducting quantum processor” 为题，发表于 Nature Communications 14,5433 (2023)。中国科学院物理研讨所相忠实副主任工程师，北京量子信息科学研讨院黄凯旋博士后，华南理工大学张煜然教授为文章一起榜首作者，许凯副研讨员、日本理化学研讨所Franco Nori教授、范桁研讨员为一起通讯作者，作者还包含中国科学院物理研讨所郑东宁研讨员，宋小会副研讨员，郊野副研讨员，北京量子信息科学研讨院于海峰研讨员与薛光亮副研讨员，华南理工刘涛教授，南开大学刘智波教授等。该作业得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金和中国科学院先导专项等基金项目的支撑。作者感谢翁红明研讨员的详尽辅导与评论。