【
仪表网 研发快讯】泵浦是一种周期性改变状态来输运物质的机械设备。阿基米德螺旋式抽水机是一种典型的泵浦，可以将水源源不断地从低处引向高处。1983年，英国物理学家David J. Thouless提出了量子泵浦的概念，即一种可以在没有外加偏置的情况下通过绝热地调制系统参数产生粒子量子输运的设备，而输运量仅由泵浦循环在参数空间内轨迹的拓扑数来决定。基于拓扑相变和拓扑物态方面的理论发现，Thouless 教授被授予2016年的诺贝尔物理学奖，他提出的量子泵浦现象也被称为Thouless 泵浦。Thouless 泵浦与整数量子霍尔效应有相同的拓扑性质，近年来引起了实验和理论物理学家的广泛关注。即便在引入无序情况下，Thouless 泵浦因为会受到拓扑保护，仍有一定的鲁棒性。最近，拓扑安德森绝缘体被提出，该物相给出了反直觉的物理，即无序也可以将拓扑平庸系统诱导为拓扑非平庸系统。一个有趣的问题是：无序是否同样能诱导拓扑泵浦？
近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q03组范桁研究员、许凯副研究员，与量子计算中心G01组郑东宁研究员、相忠诚副主任工程师等通力合作，在超导量子芯片制备、超导量子计算和量子模拟领域取得了一系列突破性进展。近期，该团队自主设计、制备了“庄子”号一维43比特量子芯片，前期曾利用此芯片实现展示了霍夫施塔特蝴蝶能谱。此次，团队在“庄子”号上构建了固态量子系统中的 Thouless 泵浦(图a)，系统性研究了Thouless 泵浦中拓扑与无序的竞争与相互影响。
首先，该工作运用弗洛凯周期调控技术构建了 Rice-Mele 模型(图b)，通过绝热调制模型参数，观测到了不同参数调控轨迹下的Thouless 泵浦过程(图c)。验证了单位调控周期粒子的输运位移完全却决于参数调控轨迹的拓扑数。然后通过引入格点势能无序，观测到了输运鲁棒性(图d)。该实验还通过调制一个拓扑平庸双圈参数调控轨迹，观测到格点势能无序诱导的量子泵浦过程(图e)。此外，该实验观测了Thouless泵浦在引入相互作用无序情况下的鲁棒性(图f)。特别地，通过调控一个拓扑平庸的不包含原点的单圈参数调控轨迹，该实验观测到了准周期相互作用无序诱导的拓扑泵浦(图g)，该结果可以看作拓扑安德森绝缘体的动力学版本，是实验上的首次观测。
该工作受到国家自然科学基金委、北京市自然科学基金项目、国家量子科技2030项目、北京市科技新星计划、中国科学院和广东省自然科学基金项目的资助。物理所Q03组博士生刘宇、华南理工大学张煜然教授为本文共同第一作者，范桁研究员、许凯副研究员和相忠诚副主任工程师为本文共同通讯作者，文章合作者包括物理所时运豪博士后和郑东宁研究员、华南理工大学刘涛教授、北京师范大学陆丛伟博士、北京量子信息科学研究院李浩博士后和黄凯旋助理研究员、日本理化所 Franco Nori 教授等。相关成果以“在超导量子处理器上观测到Thouless 泵浦中拓扑与无序的相互影响“(Interplay between disorder and topology in Thouless pumping on a superconducting quantum processor)为题发表于 Nature Communications 16， 108 (2025)。
图 a，“庄子”号一维43比特量子处理器；b，弗洛凯周期调控技术构建Rice-Mele模型示意图；c，不同参数调控轨迹对应的不同Thouless 泵浦过程；d，格点势能无序下Thouless 泵浦的鲁棒性；e，格点势能无序诱导的量子泵浦；f，相互作用无序下Thouless 泵浦的鲁棒性；g，准周期相互作用无序诱导的量子泵浦
本站客户服务
仪表网官微
仪表APP
仪表手机版
仪表小程序
