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图 观测“侯世达蝴蝶”能谱
在国家自然科学基金项目（批准号：T2121001、11934018、12005155）等资助下，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心范桁研究员等与华南理工大学、日本理化学研究所等单位科研人员合作，开发了43比特一维超导量子芯片，以战国时期思想家和哲学家“庄子”命名，并利用其成功模拟了“侯世达蝴蝶”能谱以及各种新奇拓扑零模式。该研究成果以“基于41比特超导处理器的拓扑零模式量子模拟（Quantum simulation of topological zero modes on a 41-qubit superconducting processor）”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，论文链接为https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.080401。
随着超导量子比特实验技术和其它技术路线体系的快速发展，量子计算领域已经进入了含噪声中等规模量子时代。超导量子计算力图在多比特集成、长退相干时间和高控制精度等方面取得更大进展，并且利用高精度的量子操作和独立可寻址的状态读出，来模拟和观测那些在真实材料体系中难以实现的各种新奇物理。
首先，研究团队设计了多达41个量子比特的对角Aubry-André-Harper（AAH）模型的各种实例，并应用动态光谱技术实验测量了著名的“侯世达蝴蝶”能谱（图）。由于对角模型的拓扑特性，出现了“翅膀形状”的能隙，整个能谱图看起来就像一只翩翩起舞的蝴蝶。因为“庄子”处理器拥有足够多的量子比特，有限尺寸效应的影响被极大地抑制，“蝴蝶”身体细节中的分形结构和能带的分裂也被清晰地展示出来。
进一步地，研究团队构建了非对角AAH模型，直接测量其拓扑能带结构，并观测了边缘激发在量子行走过程中的局域化。利用体边对应关系，验证了无间隙相称AAH模型中拓扑零能边缘态的存在，这在先前的研究中从未被实验观测到。此外，因为“庄子”量子处理器中有超过40个量子比特，这足以让研究人员能够在这个重要的一维量子多体系统复杂的能带结构中捕捉到它的大量拓扑特征，包括狄拉克点、能隙的闭合、奇偶量子比特数目之间的差异，以及边缘和体态之间的区别。使用由高度可控的量子系统调控技术辅助的超导量子处理器，本工作建立了一种通用的混合量子模拟方法来探索含噪声中等规模量子时代的量子拓扑系统。