近日，华南理工大学与中国科学院物理研究所、日本理化学研究所等单位合作，在超导量子平台拓扑边界态量子模拟方向研究取得进展。物理与光电学院张煜然教授与刘涛教授合作提出，利用动力学能谱测量技术，可以测量量子多体系统的能带，并与中国科学院物理所合作，在其超导量子模拟平台上，从体边对应关系模拟两类具有不同拓扑性质的物理格点模型。
相关科研工作形成两项成果，分别以“Simulating Chern insulators on a superconducting quantum processor”与“Quantum simulation of topological zero modes on a 41-qubit superconducting processor”为题，发表于Nature Communications与 Physical Review Letters 上，张煜然教授均为这两篇文章的共同第一作者。
量子模拟是一种借助量子计算平台研究复杂多体量子系统的性质和动力学行为的方法，而这些问题无法用传统超级计算机有效地解决。因此，量子模拟被认为在研究复杂物理现象的机制、材料科学、化学与生物制药等问题等领域具有巨大的潜力。
随着各类多量子比特平台上实验技术的快速发展，量子模拟与量子计算领域已经进入了有噪声的中等规模量子（noisy intermediate-scale quantum，NISQ）时代。利用高精度量子操作和独立可寻址的测量来模拟和观测那些在真实材料中难以实现的各种新奇物理，是NISQ量子模拟平台的重要研究方向。在量子模拟系列工作中，张煜然教授、刘涛教授和日本理化学研究所的Franco Nori教授的理论团队设计了两个量子模拟成果的实验方案，并完成实验结果的数值分析与理论解释。
华南理工大学与中国科学院物理研究所、北京量子信息科学研究院、南开大学、日本理化学研究所等单位通力合作，在30比特的量子芯片上, 实现了一维比特链和准一维比特梯子的构型。利用人工维度，模拟了二维陈绝缘体与不同耦合方式的双层陈绝缘体的格点模型。团队通过设计激发特定量子比特、测量不同本征态能量的方案，直接测量拓扑能带结构，并观测系统拓扑边界态的边界局域的动力学特征，在超导量子模拟平台证实了拓扑能带理论中的体边对应关系。
研究者利用全部30个量子比特，在超导量子模拟平台上，通过模拟双层结构陈绝缘体，实验上首次观察到了具有零霍尔电导（零陈数）的特殊拓扑非平庸边缘态，并且模拟了具有更高陈数的陈绝缘体。
此外，研究团队还在“庄子”41超导比特量子处理器上模拟各种对角Aubry-André-Harper (AAH) 模型，并用动态光谱技术直接测量了著名的“Hofstadter蝴蝶”能谱。在此基础上，团队使用周期驱动调控技术构建了相称非对角AAH模型，直接测量其拓扑能带结构，并见证了边缘激发在量子行走过程中的局域化。
通过验证体边对应关系，团队合作在实验上首次观测到了相称非对角AAH模型中拓扑零能边缘态的存在。在NISQ时代，该工作建立了一种使用由高度可控的周期驱动调控技术辅助的通用的混合量子模拟方法，并可以用来模拟并研究的各类新奇的量子拓扑多体系统。（文/通讯员 张煜然 物理与光电学院 编辑/孙彦东）
在以上系列工作中，合作团队在量子模拟机上模拟了两类从未在实验中制备或观测到的量子拓扑态，这也体现了量子模拟机的优越性。系列工作得到国家自然科学基金委、华南理工大学“双一流”建设等项目的支持。
附：成果原文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41230-9
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.080401
