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“莊子”芯片41超導量子比特模擬“侯世達蝴蝶”拓撲物態

稿件來源：物理研究所責任編輯：ICAC 發布時間：2023-09-12

　　隨著超導量子比特實驗技術和其他技術路線體系的快速發展，量子計算領域已進入了含噪聲中等規模量子（NISQ）時代。在這樣的時代里，超導量子計算力圖在多比特集成、長退相干時間和高控制精度等方面取得了更大進展，并利用高精度的量子操作和獨立可尋址的狀態讀出，來模擬和觀測那些在真實材料體系中難以實現的各種新奇物理。

　　近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心Q03組研究員范桁、副研究員許凱，聯合量子計算研究中心研究員鄭東寧、副主任工程師相忠誠等，致力于超導量子計算、量子模擬和量子器件等方面的實驗研究。近日，該團隊開發了43比特一維超導量子芯片，以戰國時期思想家和哲學家莊子（Chuang-tzu）命名（圖1），并利用其成功模擬了“侯世達蝴蝶”（Hofstadter butterfly）能譜以及各種新奇拓撲零模式。

　　該工作設計了多達41個量子比特的對角Aubry-André-Harper（AAH）模型的各種實例，并應用動態光譜技術實驗測量了“侯世達蝴蝶”能譜（圖2）。由于對角AAH模型的拓撲特性，出現了“翅膀形狀”的能隙，整個能譜圖看起來猶如一只翩翩起舞的蝴蝶，讓人不禁聯想到戰國時期莊周夢蝶的故事，這是該量子處理器命名的緣由。由于“莊子”處理器擁有足夠多的量子比特，有限尺寸效應的影響被抑制，“蝴蝶”身體細節中的分形結構和能帶的分裂也被清晰地展示出來。

　　進一步，該工作使用Floquet工程（周期驅動）構建了非對角AAH模型，直接測量了其拓撲能帶結構，并見證了邊緣激發在量子行走過程中的局域化（圖3）。利用體邊對應關系，本研究驗證了無間隙相稱AAH模型中拓撲零能邊緣態的存在，這在先前的研究中未被實驗觀測到。此外，由于“莊子”量子處理器中有超過40個量子比特，這足以讓研究人員能夠在這一重要的一維量子多體系統復雜的能帶結構中捕捉到它的大量拓撲特征，包括狄拉克點、能隙的閉合、奇偶量子比特數目之間的差異以及邊緣和體態之間的區別（圖3、4）。上述研究驗證了拓撲性質在小的次近鄰相互作用情況下的魯棒性。該工作使用由高度可控的Floquet調控技術輔助的超導量子處理器，建立了通用的混合量子模擬方法來探索NISQ時代的量子拓撲系統。

　　相關研究成果以Quantum simulation of topological zero modes on a 41-qubit superconducting processor為題，發表在《物理評論快報》【Physical Review Letters？131, 080401 (2023)】上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、北京市自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。該研究由物理所和日本理化學研究所等合作完成。