量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本現(xiàn)象。科學(xué)家發(fā)展了拓?fù)淠軒Ю碚搧?lái)研究此類(lèi)拓?fù)湮飸B(tài)，發(fā)現(xiàn)了量子霍爾系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的邊界態(tài)密切相關(guān)即存在體相與邊緣的對(duì)應(yīng)，并利用陳數(shù)（Chern number）來(lái)區(qū)分不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以陳絕緣體來(lái)描述相關(guān)拓?fù)湮飸B(tài)。陳絕緣體材料可通過(guò)第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)合成并檢測(cè)，過(guò)去幾年出現(xiàn)了系列創(chuàng)新性成果，有望發(fā)展出具有實(shí)用價(jià)值的器件。

隨著量子系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，研究利用各種人工可控量子系統(tǒng)來(lái)模擬陳絕緣體并揭示其性質(zhì)。超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將是模擬陳絕緣體的理想平臺(tái)。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心，與北京量子信息科學(xué)研究院、南開(kāi)大學(xué)、華南理工大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等合作，利用集成有30個(gè)量子比特的梯子型量子芯片，實(shí)現(xiàn)了具有不同陳數(shù)的多種陳絕緣體的模擬，并展示了理論預(yù)測(cè)的體邊對(duì)應(yīng)關(guān)系。

該團(tuán)隊(duì)制備了高質(zhì)量的具有30比特的量子芯片，在實(shí)驗(yàn)中精確控制其量子比特之間的耦合強(qiáng)度，并降低比特間串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)了一維和梯子型比特間耦合的構(gòu)型。 該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)模擬方案，將二維陳絕緣體格點(diǎn)模型的一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)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(gè)一維鏈狀平行耦合，形成梯子型比特間耦合的量子芯片實(shí)現(xiàn)，而人工維度相位控制還可實(shí)現(xiàn)雙層陳絕緣體不同的耦合方式。這樣便實(shí)現(xiàn)了不同陳數(shù)的陳絕緣體。

該工作通過(guò)激發(fā)特定量子比特、測(cè)量不同本征態(tài)能量的方案，直接測(cè)量拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)并觀測(cè)系統(tǒng)拓?fù)溥吔鐟B(tài)的邊界局域的動(dòng)力學(xué)特征，在超導(dǎo)量子模擬平臺(tái)證實(shí)了拓?fù)淠軒Ю碚撝械捏w邊對(duì)應(yīng)關(guān)系（Bulk-edge correspondence）。此外，利用全部30個(gè)量子比特，在超導(dǎo)量子模擬平臺(tái)上通過(guò)模擬雙層結(jié)構(gòu)陳絕緣體，實(shí)驗(yàn)上首次觀察到具有零霍爾電導(dǎo)（零陳數(shù)）的特殊拓?fù)浞瞧接惯吘墤B(tài)。此外，實(shí)驗(yàn)上探測(cè)到具有更高陳數(shù)的陳絕緣體。

該研究通過(guò)精確控制超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)及讀出的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子多體系統(tǒng)拓?fù)湮飸B(tài)性質(zhì)的復(fù)現(xiàn)與觀測(cè)，并表明30比特梯子型耦合超導(dǎo)量子芯片的精確可控性。相關(guān)研究成果以Simulating Chern insulators on a superconducting quantum processor為題，發(fā)表在《自然-通訊》【Nature Communications 14,5433 (2023)】上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、北京市自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等的支持。