【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】泵浦是一種周期性改變狀態(tài)來輸運物質(zhì)的機械設(shè)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(xué)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(diào)制系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生粒子量子輸運的設(shè)備，而輸運量僅由泵浦循環(huán)在參數(shù)空間內(nèi)軌跡的拓撲數(shù)來決定?；谕負湎嘧兒屯負湮飸B(tài)方面的理論發(fā)現(xiàn)，Thouless 教授被授予2016年的諾貝爾物理學(xué)獎，他提出的量子泵浦現(xiàn)象也被稱為Thouless 泵浦。Thouless 泵浦與整數(shù)量子霍爾效應(yīng)有相同的拓撲性質(zhì)，近年來引起了實驗和理論物理學(xué)家的廣泛關(guān)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(tǒng)誘導(dǎo)為拓撲非平庸系統(tǒng)。一個有趣的問題是：無序是否同樣能誘導(dǎo)拓撲泵浦？
 

　　近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)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(dǎo)量子芯片制備、超導(dǎo)量子計算和量子模擬領(lǐng)域取得了一系列突破性進展。近期，該團隊自主設(shè)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(xiàn)展示了霍夫施塔特蝴蝶能譜。此次，團隊在“莊子”號上構(gòu)建了固態(tài)量子系統(tǒng)中的 Thouless 泵浦(圖a)，系統(tǒng)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(diào)控技術(shù)構(gòu)建了 Rice-Mele 模型(圖b)，通過絕熱調(diào)制模型參數(shù)，觀測到了不同參數(shù)調(diào)控軌跡下的Thouless 泵浦過程(圖c)。驗證了單位調(diào)控周期粒子的輸運位移完全卻決于參數(shù)調(diào)控軌跡的拓撲數(shù)。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(diào)制一個拓撲平庸雙圈參數(shù)調(diào)控軌跡，觀測到格點勢能無序誘導(dǎo)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(diào)控一個拓撲平庸的不包含原點的單圈參數(shù)調(diào)控軌跡，該實驗觀測到了準周期相互作用無序誘導(dǎo)的拓撲泵浦(圖g)，該結(jié)果可以看作拓撲安德森絕緣體的動力學(xué)版本，是實驗上的首次觀測。
 

　　該工作受到國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)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(xué)院和廣東省自然科學(xué)基金項目的資助。物理所Q03組博士生劉宇、華南理工大學(xué)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(xué)劉濤教授、北京師范大學(xué)陸叢偉博士、北京量子信息科學(xué)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(guān)成果以“在超導(dǎo)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(fā)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(diào)控技術(shù)構(gòu)建Rice-Mele模型示意圖；c，不同參數(shù)調(diào)控軌跡對應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)的量子泵浦