探索光拓扑的量子游乐场

浙江大学研究人员制造的量子设备可以帮助推进量子计算机的设计，因为它可以对存储信息的单元进行拓扑控制。该团队的成果于2022年12月发表在《科学》杂志上。

自2007年左右发现以来，被称为拓扑绝缘体的量子材料因其有趣的特性而引起了广泛关注。例如，它们内部绝缘，但表面导电。这种特性源于这些材料的拓扑性质，这使得它们对变形具有鲁棒性，因此沿其表面移动的电子可以抵抗任何可能阻碍其流动的障碍物。

研究人员已经开始探索基于光而不是电子的类似拓扑系统——这一领域被称为拓扑光子学。但到目前为止，大多数此类基于光的系统都使用经典形式的光而不是量子形式。使用光的量子形式的能力将开辟更多的可能性，并提供探索光的量子拓扑结构的机会。

“拓扑光子学的大多数实验工作仍然使用经典的光模型来模拟量子模型中电子的特性，”该研究的作者之一王大伟说。“我想建立新模型来探索拓扑和光量子化之间的相互作用，希望利用光的量子特性进行拓扑光子学研究。”

几年来，王大伟提出了新的理论，但直到2017年搬到浙江大学，他才能够对其进行实验测试。在那里，该大学超导量子器件实验室的物理学教授王浩华带领一个团队开发了一种将多个谐振器耦合到一个量子位的电路设计，提供了实现和控制光的量子拓扑状态的机会。

标准超导电路已经可以将多个谐振器耦合到一个量子位，但通常它们的耦合强度在制造后是固定的，王浩华团队的物理学教授宋超解释道。“最大的挑战是如何使每个谐振器和量子比特之间的耦合强度独立可调，”他说。

为了控制耦合强度，该团队采用了电感耦合方案——将能量以磁场的形式从一个线圈传递到另一个线圈，并在耦合器电路设计中引入了一个额外的线圈。它充当量子位和每个谐振器之间的中介。通过线圈的外部磁场可以改变量子位和每个谐振器之间的耦合强度。“耦合器的工作原理就像一个变压器，将电力从发电机传输到市政线路，”宋指出。

通过以不同方式配置设备，WangDawei及其同事能够通过实验证明一维和二维晶格中量子化光的几种拓扑行为。

“有趣的是，这些实验都是在单个量子电路上完成的，”王大伟评论道。“传统的拓扑光子结构无法实现这一点。”

对于宋超来说，该设备提供的控制量子比特的新方法可以帮助推进量子计算机的设计。“这种具有如此多新物理现象的设备肯定可以为开发新的量子控制技术提供见解，”宋超说。“我认为这非常令人兴奋。”

研究人员还希望该设备能够在拓扑光子学方面产生新的发现。“通过将许多谐振器耦合到一个或多个原子，我们可以设计出凝聚态物理学家从未考虑过的晶格结构，”王大伟说。“通过这种方式，我认为我们开辟了一个新的领域，或者说为研究高维拓扑物理提供了一个新的平台。”