Science正刊！浙大科创量子计算创新工坊团队助力光的量子拓扑态操控

光是量子化的。利用这一属性，人们造出了激光笔、打印机、扫码器和光雷达，也试图通过它去开拓新的科学视野。浙江大学物理学院和浙江大学杭州国际科创中心团队合作，将光的量子属性引入拓扑光子学领域，在全新设计的超导量子芯片上首次实现了光的量子拓扑态操控，其所构建的福克态晶格展现了多个重要的拓扑物理模型。

论文以“Observing the quantum topology of light”为题，近日在《科学》（Science）以 Research Article 的形式发表。

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理论！拓扑与光量子的相遇

光本质上是量子化的，但我们并不知道光的量子属性会给拓扑物理带来什么新的视野。此前，拓扑光子学的研究主要利用光的经典属性，比如光的颜色、偏振和涡旋，“省略”了光的量子属性。但浙江大学物理学院王大伟研究员希望让光在拓扑世界里“释放”量子本性。

在量子光学领域经典的Jaynes-Cummings(JC) 模型里，当一个光腔（处于包含整数个光子的福克态）和一个原子相互耦合时，光子是这么“跑”的：原子吸收一个光子，从基态转变为激发态，又“还”给光腔一个光子，原子回到基态，光子就在腔和原子之间来回“跑动”，就像打“乒乓球”一样。而跑动的频率取决于这个腔里的光子数n，光子数越多，耦合强度越强。

当有两个光腔和原子耦合时，情况变得复杂起来。两个腔都想和原子交换光子，那么原子选择和谁进行交换呢？答案是：哪个腔里面光子数多，原子和它的耦合就越强，就更愿意把光子交给它。这里体现出来的是量子光学世界的马太效应。但是量子的世界是多种可能性的叠加。考虑到所有可能的情况，两个腔和原子的量子态在福克空间形成了一条一维链，链上每个格点是一个福克态，格点之间的耦合依赖于福克态里面的光子数。

三个谐振腔耦合一个二能级原子及其福克态晶格

当有三个腔时，情况变得更加复杂和有趣，三个从原子那里争夺光子的光腔在福克态空间形成了一个类似于石墨烯的蜂窝状晶格结构。每个格点和周围三个格点的耦合依赖于福克态中三个腔里面的光子数，随位置发生变化。

2020年10月，浙江大学光电学院蔡晗和物理学院王大伟在《国家科学评论》（National Science Review）发表论文，揭示了基于光的量子属性的拓扑态。他们预言，在一个原子和三个腔模耦合的JC模型中，光子构成的福克态晶格会在三角形边缘的内切圆上发生半金属到绝缘体的拓扑相变。

“光量子属性能否带来经典光学不能解释的拓扑态？”这个问题第一次在理论上获得了回答。

超导量子芯片图

但好的理论还需要实验才能验证，在浙江大学杭州国际科创中心双聘学者王浩华的带领下，宋超、王震、李贺康等所在的超导量子计算团队决定投入资源来实验实现“基于光的量子属性的拓扑态”，正式开启了这场“华丽的冒险”。团队在设计多量子比特超导芯片方面经验丰富，处于国际领先的水平。同时，他们还与理论物理学家合作，根据理论研究的需要来“贴身设计”各种新颖的电路以探索新奇的物理现象。

“这是一种全新的电路，前人没有做过，难度不低。”宋超研究员说。理论团队与实验团队开始了密切合作，克服了种种困难，搭建起芯片的测控线路，开发了实验所需的高精度调控技术，历时三年实现了理论预言拓扑物态的实验观测和操控。

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科创青年制备独特芯片

本次成果中理论的验证是依托于一种全新的“量子信号环形器”芯片完成的，浙江大学杭州国际科创中心量子计算创新工坊技术开发专家李贺康正是这款特殊芯片的制备者。他告诉小编，该工作建立在一种之前从未有人实现过的量子体系之上，其中一个原子需要同时与三个谐振腔进行耦合，在此基础上，团队要实现对原子、谐振腔和耦合强度的同步精准调控。

实验中，芯片上的超导量子比特就相当于人工原子。李贺康说，这个芯片制备的难点就在于，必须要让这个量子比特与三个谐振腔之间的耦合强度独立、精准、可控地打开和关断，通过对每个耦合强度的连续调控，实现光的量子拓扑态操控。

但想要实现一个量子比特同时和三个谐振腔耦合强度可控，且量子比特本身特性还不能受到明显影响，这并不容易。在此之前的可控耦合一般都仅针对两体耦合。在王浩华教授的指导下，团队进行了一系列创新，设计让量子比特伸出一个长长的“尾巴”，与三个耦合器电感耦合，三个耦合器再分别与一个谐振腔电感耦合，这样量子比特与每个谐振腔的耦合强度都可以通过一个耦合器精确调控，实现分别的打开和关断。

李贺康说，团队早在2019年10月份就提出了方案，但后续实验过程却并非一帆风顺。为了达到实验所需的调节精度和性能要求，团队不断摸索优化芯片制备工艺，共开展了4轮迭代测试。功夫不负有心人，在团队的共同努力下，终于在去年完成了芯片的制备，帮助团队实现了对拓扑量子光学态的观测。

研究团队部分成员合影

本文的共同第一作者为浙江大学物理学院博士生邓金凤、董航，通讯作者为浙江大学百人计划研究员宋超、教授王浩华和百人计划研究员王大伟。浙江大学杭州国际科创中心为成果第二完成单位。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金和量子科技创新项目等支持。

量子计算创新工坊团队

量子技术有着巨大应用前景，由朱诗尧院士、王浩华教授领衔的浙江大学杭州国际科创中心量子计算创新工坊团队成员都是90后，对这些年轻人来说，如何推进量子交叉学科领域研究，加速量子计算从基础研究到产业应用，是一件令人激动的事情。

早在本次成果刊登《科学》（Science）之前，团队已经在《自然》（nature）、《物理评论快报》（Physical Review Letter）等国际知名期刊发表了系列成果，先后于2021年12月、2022年7月发布了“莫干1号”“天目1号”超导量子芯片和“天目1号”重磅应用成果，并聚焦量子技术成立科学公司，为量子技术探索做出重要贡献。

求是创新，奔竞不息。我们期待量子计算创新工坊团队在“浙”片沃土取得更多优异成绩，为浙江省量子科技发展贡献源源不断的科创力量。

内容来源：求是风采

文字/图片：周炜 吴瑶瑶/孔晓睿

本文编辑：孔晓睿

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