浙江大学研究人员制造的一个量子设备可以帮助推进量子计算机的设计，因为它对其中存储信息的单元提供拓扑控制。该团队的成果于2022年12月发表在《科学》杂志上。

自从2007年左右被发现以来，被称为拓扑绝缘体的量子材料因其耐人寻味的特性而引起了很多人的兴奋。例如，它们在内部是绝缘的，但在其表面是导电的。这一特性源于这些材料的拓扑性质，它使它们对变形具有很强的抵抗力，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。

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--一个被称为拓扑光子学的领域。但到目前为止，大多数此类基于光的系统都使用了经典形式的光，而不是量子形式的。使用量子形式的光的能力将开辟更多的可能性，并提供一个探索光的量子拓扑学的机会。

"该研究的作者之一王大为说："大多数拓扑光子学的实验工作仍然使用光的经典模型来模仿量子模型中电子的特性。"我想建立新的模型来探索拓扑学和光量子化之间的相互作用，希望能利用光的量子特性来实现拓扑光子学。"
控制的新模式
几年来，王大伟开发了新的理论，但他没能在实验中测试这些理论，直到他在2017年转到浙江大学。在那里，该大学超导量子设备实验室的物理学教授王浩华带领一个团队开发了一种电路设计，将几个谐振器耦合到一个量子位，为实现和控制光的量子拓扑状态提供了机会。

王浩华团队的物理学教授宋超解释说，标准的超导电路已经可以将多个谐振器耦合到一个量子位上，但通常它们的耦合强度在制造后被固定下来。"他说："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可以独立调控。

为了控制耦合强度，研究小组采用了电感耦合方案--以磁场的形式将能量从一个线圈转移到另一个线圈，并在耦合器电路设计中引入了一个额外的线圈。它在量子比特和每个谐振器之间起着中介作用。通过该线圈的外部磁场可以改变量子比特和每个谐振器之间的耦合强度。"Song指出："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。

通过以不同的方式配置该设备，王大为及其同事能够在实验中展示量子化光在一维和二维格子中的几种拓扑行为。

"有趣的是，这些实验都是在一个单一的量子电路上完成的，"王大为评论道。"这在传统的拓扑光子结构中是无法实现的。"

在宋超看来，这种装置为控制量子比特提供的新方法可以帮助推进量子计算机的设计。"这样一个具有如此多的新物理现象的装置当然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。"

研究人员还希望该装置能在拓扑光子学中产生新的发现。"通过将许多谐振器耦合到一个原子或许多原子上，我们可以设计出凝聚态物理学家从未考虑过的晶格结构，"王大为说。"通过这种方式，我认为我们开辟了一个新的领域，或者说提供了一个新的平台来研究高维拓扑物理。"

更多信息

Jinfeng Deng et al, Observing the quantum topology of light, Science (2022). DOI: 10.1126/science.ade6219