「贴身设计」的首个实验

3年前，浙大物理学院王浩华、宋超、王震等所在的超导量子计算团队决定投入资源来实验实现「基于光的量子属性的拓扑态」，正式开启了这场「华丽的冒险」。团队在设计多量子比特超导芯片方面经验丰富，处于国际领先的水平。同时，他们还与理论物理学家合作，根据理论研究的需要来「贴身设计」各种新颖的电路以探索新奇的物理现象。「这是一种全新的电路，前人没有做过，难度不低。」宋超研究员说。理论团队与实验团队开始了密切合作，论文共同第一作者、王大伟老师的第一个博士生邓金凤则直接驻扎在超导量子计算实验室接受必要的实验技能培训，既与理论合作者密切沟通，又和实验团队的董航、张川宇、吴耀祖等多位学生协同合作，克服了种种困难，搭建起芯片的测控线路，开发了实验所需的高精度调控技术，历时三年实现了理论预言拓扑物态的实验观测和操控。

图 | 论文第一作者、博士生邓金凤在实验室

团队提出了一种全新的「量子信号环形器」芯片，主要由论文的共同一作博士生董航设计、由浙江大学前博后、现任浙江大学国际科创中心技术开发专家的李贺康完成制备。芯片的核心部分由一个中心比特通过三个可调耦合器和三个谐振腔耦合组成，能够呈现一维和两维的福克态晶格。

图 | 超导量子芯片图

当一个量子比特上的原子同时耦合两个谐振腔中的光子时，谐振腔可以「吐出」一连串的光子而跳到不同的福克态，它们之间连起来就构成了一条链状的福克态晶格，这就是拓扑物理学领域著名的的Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型。在实验中，团队证明了理论预言的拓扑零能态的绝热输运，使得光子从一个谐振腔相干地转移到另一个谐振腔，并制备了任意的双模二项式态。

团队还在实验中实现了备受赞誉的Haldane模型，这是Haldane模型首次在光子体系中的实现。正如理论预言的那样，通过周期性调节耦合强度，研究人员观察到光子在福克态晶格内切圆上的旋转轨迹。

图 | 福克态晶格Haldane边缘流的观测

拉出一张「渔网」

光量子属性能否带来经典光学不能解释的拓扑态？这是继2020年蔡晗和王大伟在NSR发表理论回答后，实验上的第一次回答与验证。

「当把光的量子性质加入拓扑世界进行考量，我们发现了一个新的天地。」宋超说，「我们挖出了一张巨大的『渔网』来描述光子的行为，可以获得很丰富的、新颖的发现，这是经典的光学系统无可比拟的。」团队认为，光的量子拓扑性质的这扇窗才刚刚打开，窗外还有许多新奇的物理现象等着被发现。「我们在实验中实现了用两个腔构造一维的晶格结构，三个腔构造了两维的晶格结构，如果我们有四个腔，就能构造三维的晶格……这样拓展下去，我们可以构建出物质世界中并不存在的高维空间，为高维的拓扑物态提供新的研究平台。」邓金凤说。

宋超说，在这项研究中，实验团队也收获很多，从量子操控的角度讲，这项对光子拓扑态的调控实验，或许将来能为量子计算上增加一个调控「手柄」。

实验团队、作者、合作者信息：论文的共同第一作者为浙江大学物理学院博士生邓金凤、董航，通讯作者为浙江大学百人计划研究员宋超、教授王浩华和百人计划研究员王大伟。

该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金和量子科技创新项目等支持。

参考文献：

[1].Da-Wei Wang, Han Cai, Ren-Bao Liu, and Marlan O. Scully, 「Mesoscopic superposition states generated by synthetic spin-orbit interaction in Fock-state lattices.」 Phys. Rev. Lett. 116, 220502 (2016).

[2].Han Cai and Da-Wei Wang, 「Topological phases of quantized light」, National Science Review 8, nwaa196 (2021).

[3].Jinfeng Deng, Hang Dong, Chuanyu Zhang, Yaozu Wu, Jiale Yuan, Xuhao Zhu, Feitong Jin, Hekang Li, Zhen Wang, Han Cai, Chao Song, H. Wang, J. Q. You, and Da-Wei Wang, 「Observing the quantum topology of light」, Science 378, 966 (2022).

论文链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6219

[2]http://physics.zju.edu.cn/2022/1202/c39070a2699408/page.htm

--浙江大学