中国科学家研发“庄子”量子芯片 实现Thouless泵浦的实验观察
时间：2025-03-28 18:40
小编：小世评选
近日，中国科学院物理研究所和北京凝聚态物理国家研究中心的研究团队在超导量子芯片领域取得了重要突破。他们自主设计并研制了名为“庄子”的一维43比特量子芯片，并利用该芯片成功展示了霍夫施塔特蝴蝶能谱，同时也实现了Thouless泵浦的实验观察。这项研究不仅为量子计算和量子模拟提供了新工具，也为理解拓扑现象开辟了新的研究方向。
该团队成员包括研究员范桁、副研究员许凯、研究员郑东宁和副主任工程师相忠诚等。在超导量子计算与量子模拟的过程中，他们面临着如何构建一种能够有效实施复杂量子操作的量子芯片的挑战。在此背景下，“庄子”量子芯片应运而生，凭借其先进的设计，展示出了超导量子技术的巨大潜力。
Thouless泵浦现象源自1983年诺贝尔奖获得者大卫·J·索利斯（David J. Thouless）的理论工作。他提出了一种量子泵浦概念，称为Thouless泵浦，涉及到周期性变化的参数如何对量子粒子进行输运。其核心在于，尽管存在无序等干扰因素，Thouless泵浦的拓扑特性依然能够提供保护，确保了这一现象的鲁棒性。因此，近年来它引起了理论与实验物理学家的广泛关注，并被认为与整数量子霍尔效应具有相似的拓扑特性。
近年来，拓扑安德森绝缘体的提出，为研究无序对拓扑现象的影响提供了新思路。这一物相挑战了传统观念，即无序只能导致系统的失序，而使其成为更复杂的拓扑非平庸系统。该研究小组正是基于这一理论构建了他们的实验，通过弗洛凯周期调控技术实现了Rice-Mele模型的构建，观察到了多种参数调控轨迹下的Thouless泵浦过程。
实验过程中的一个重要发现是，单位调控周期内粒子的输运位移依赖于参数调控轨迹的拓扑数，同时引入格点势能无序后也观察到了输运过程的鲁棒性。这表明在一定程度上，这一泵浦现象能够抗干扰发展，推进了对量子系统中无序和拓扑的理解。
研究小组还特别调控了拓扑平庸双圈的参数，发现竟然产生了格点势能无序诱导的量子泵浦过程。这一现象进一步证明了Thouless泵浦在引入相互作用无序条件下的鲁棒性，显示了其在复杂条件下仍然保持工作稳定的优势。通过这种调控，研究团队甚至首次观察到了准周期相互作用无序诱导的拓扑泵浦。
有趣的是，这一成果被视为拓扑安德森绝缘体的动力学版本，并为这一理论的实验验证提供了支持。这些实验结果不仅推动了理解拓扑效应的研究进展，同时也为量子技术的未来应用奠定了理论基础。
相关研究成果已于1月2日发表在国际著名的《自然-通讯》期刊上。文章中详细阐述了研究的背景、方法和结果，并为相关领域的科学家提供了重要的实验数据和理论支持。
这项由中国科学家牵头的研究不仅在技术层面实现了突破，还进一步推动了对量子物理学中复杂现象的理解。随着量子技术的不断发展，未来将可能为我们带来更为广泛的应用，包括量子计算、量子通信以及量子模拟等领域的重大进展。
这项令人振奋的研究成果向世界展示了中国在量子科技领域的实力和潜力，也引领了科学界在探索拓扑性质与量子效应相互作用方面的兴趣。而这些努力，最终将在科技进步中转化为实际应用，推动社会的进步与发展。
