【儀表網 研發快訊】泵浦是一種周期性改變狀態來輸運物質的機械設備。阿基米德螺旋式抽水機是一種典型的泵浦，可以將水源源不斷地從低處引向高處。1983年，英國物理學家David J. Thouless提出了量子泵浦的概念，即一種可以在沒有外加偏置的情況下通過絕熱地調制系統參數產生粒子量子輸運的設備，而輸運量僅由泵浦循環在參數空間內軌跡的拓撲數來決定。基于拓撲相變和拓撲物態方面的理論發現，Thouless 教授被授予2016年的諾貝爾物理學獎，他提出的量子泵浦現象也被稱為Thouless 泵浦。Thouless 泵浦與整數量子霍爾效應有相同的拓撲性質，近年來引起了實驗和理論物理學家的廣泛關注。即便在引入無序情況下，Thouless 泵浦因為會受到拓撲保護，仍有一定的魯棒性。最近，拓撲安德森絕緣體被提出，該物相給出了反直覺的物理，即無序也可以將拓撲平庸系統誘導為拓撲非平庸系統。一個有趣的問題是：無序是否同樣能誘導拓撲泵浦？
近年來，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心Q03組范桁研究員、許凱副研究員，與量子計算中心G01組鄭東寧研究員、相忠誠副主任工程師等通力合作，在超導量子芯片制備、超導量子計算和量子模擬領域取得了一系列突破性進展。近期，該團隊自主設計、制備了“莊子”號一維43比特量子芯片，前期曾利用此芯片實現展示了霍夫施塔特蝴蝶能譜。此次，團隊在“莊子”號上構建了固態量子系統中的 Thouless 泵浦(圖a)，系統性研究了Thouless 泵浦中拓撲與無序的競爭與相互影響。
首先，該工作運用弗洛凱周期調控技術構建了 Rice-Mele 模型(圖b)，通過絕熱調制模型參數，觀測到了不同參數調控軌跡下的Thouless 泵浦過程(圖c)。驗證了單位調控周期粒子的輸運位移完全卻決于參數調控軌跡的拓撲數。然后通過引入格點勢能無序，觀測到了輸運魯棒性(圖d)。該實驗還通過調制一個拓撲平庸雙圈參數調控軌跡，觀測到格點勢能無序誘導的量子泵浦過程(圖e)。此外，該實驗觀測了Thouless泵浦在引入相互作用無序情況下的魯棒性(圖f)。特別地，通過調控一個拓撲平庸的不包含原點的單圈參數調控軌跡，該實驗觀測到了準周期相互作用無序誘導的拓撲泵浦(圖g)，該結果可以看作拓撲安德森絕緣體的動力學版本，是實驗上的首次觀測。
該工作受到國家自然科學基金委、北京市自然科學基金項目、國家量子科技2030項目、北京市科技新星計劃、中國科學院和廣東省自然科學基金項目的資助。物理所Q03組博士生劉宇、華南理工大學張煜然教授為本文共同第一作者，范桁研究員、許凱副研究員和相忠誠副主任工程師為本文共同通訊作者，文章合作者包括物理所時運豪博士后和鄭東寧研究員、華南理工大學劉濤教授、北京師范大學陸叢偉博士、北京量子信息科學研究院李浩博士后和黃凱旋助理研究員、日本理化所 Franco Nori 教授等。相關成果以“在超導量子處理器上觀測到Thouless 泵浦中拓撲與無序的相互影響“(Interplay between disorder and topology in Thouless pumping on a superconducting quantum processor)為題發表于 Nature Communications 16， 108 (2025)。
圖 a，“莊子”號一維43比特量子處理器；b，弗洛凱周期調控技術構建Rice-Mele模型示意圖；c，不同參數調控軌跡對應的不同Thouless 泵浦過程；d，格點勢能無序下Thouless 泵浦的魯棒性；e，格點勢能無序誘導的量子泵浦；f，相互作用無序下Thouless 泵浦的魯棒性；g，準周期相互作用無序誘導的量子泵浦
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