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儀表網 研發快訊】拓撲物態是凝聚態物理中大家關注的問題，其拓撲性會展現出體態和邊界態的對應關系，高階拓撲系統具有同樣的性質，一般而言，對于m階的高階拓撲物態，其n維體態系統會形成n-m維的邊界態。另一方面，拓撲物態可以由動力學的拓撲泵浦來刻畫，這其中高階拓撲泵浦的模擬實現是一個挑戰性的課題。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導量子團隊與北京量子院、華南理工等合作，基于超導量子模擬平臺首次在實驗上實現了高階拓撲相上的拓撲泵浦，演示了高階拓撲相的動力學性質，這為進一步研究拓撲泵浦與各種高階拓撲相的動力學提供了可靠平臺。
團隊在可調耦合架構的超導量子芯片上，利用16個量子比特形成的4×4陣列模擬了高階拓撲泵浦的行為。實驗使用可調耦合超導量子芯片是一個包含62個比特與105個耦合器的二維陣列樣品，如圖A1-A2所示，此次實驗中最多使用了其中虛線框出的16個比特與24個耦合器。為了制備用于高階拓撲泵浦的初始量子態，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)進行拓撲泵浦實驗(圖B1-B2)。基于不同的泵浦方案，即對角輸運或非對角輸運，占據的粒子會在4×4比特陣列的四個角上局域。研究團隊對16個比特和24個耦合器同時施加不同類型的脈沖序列，并對量子比特進行6000次single-shot測量記錄下了基于對角輸運方案的動力學過程。在原先粒子占據數均勻分布的初態上，粒子數逐漸沿著對角方向被輸運至對應的角落(圖C)。另一種非對角的輸運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撲保護，其輸運粒子數的變化與陳數(Chern Number)有關。研究團隊為此對泵浦的過程施加了on-site的無序，結果顯示其輸運的粒子數變化呈現出一個受拓撲保護的魯棒性平臺(圖E)。理論上，該系統的陳數呈現出量子化的臺階(1或-1)，而在實驗上，對角泵浦方案的輸運粒子數變化達到了0.964，與理論預言高度符合。
這一動力學行為，標志了高階拓撲相的顯著特征，即二維的拓撲相能夠在二階拓撲泵浦下得到零維的角態。研究團隊演示的受拓撲保護的魯棒性平臺進一步驗證了實驗體系的拓撲特性，這為進一步研究高階拓撲相更多拓撲內稟屬性，例如糾纏熵，長程關聯等提供了堅實的實驗基礎。
本工作受到了國家自然科學基金項目、國家量子科技2030項目、北京市自然科學基金項目、北京市科技新星計劃、廣東省自然科學基金項目和中國科學院的資助。物理所研究生鄧承林、劉宇、華南理工大學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、華南理工大學劉濤、湖南師范大學王接詞等。本成果以“基于超導量子模擬器的高階拓撲泵浦”(High-order topological pumping on a superconducting quantum processor)為題， 于2024年10月1日發表， Phys. Rev. Lett. 133, 140402(2024)。
圖 超導量子模擬器和制備用于泵浦的初始量子態的絕熱演化方案及動力學結果。(A1-A2) 包含62個比特的二維陣列型樣品與用于模擬的16個量子比特與24個耦合器的示意圖。(B1-B2)絕熱演化的態層析隨演化時間的變化，保真度隨演化時間的變化。 (C)對角泵浦方案的動力學結果。(D) 非對角泵浦方案的動力學結果。(E) 施加on-site無序后實驗觀察到的受拓撲保護的魯棒性平臺。
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