超导线路中的拓扑量子模拟与测量

Topological simulations have been an active field of physical researches in the past 20 years. Effective simulations with manipulability and flexibility are always expected. At present, most simulations are based on the cold atom systems, while the simulation of the optical system is mostly for one-dimensional topological system. Based on the achievements of the superconducting circuit system in the past 30 years, we will try to use a new scheme which is composited by transmission line resonator, transmons and superconducting quantum interference devices to realize simulations. We intend to simulate several topological systems such as quantum spin Hall effect,topology superfluid, and quasi nodal line etc. Corresponding physical observations and expected values would be given out, too. In addition to the above researches, we will also attempt to study the non-Hermitian topological system in our new circuits. Comparing to previous methods, this compositional system is well controllable, stable and less limited. Therefore, our scheme provide a promising platform for faithful quantum simulation of topological matter.

近年来，以传输线谐振腔、transmons和超导量子干涉仪组合实现的超导线路系统成为一种被科学家广泛采用的新兴量子模拟器件。在超导线路系统里可以单独控制每个单元之间的相互作用，同样对每个单元的物理量也可以精确测量，因此使用超导线路进行拓扑量子模拟和测量具有重要的学术价值与前景。本项目将充分利用超导线路的优势，对一些典型的拓扑物理系统进行模拟和测量：1.模拟量子自旋霍尔效应，在超导线路中实现边界态。2.对拓扑节点线系统进行模拟，测量系统的拓扑不变量。3.基于前期的研究，尝试在超导线路中实现非厄米的拓扑系统，进行非厄米拓扑系统的特性研究。本项目将对拓扑系统进行更可靠的模拟，对拓扑不变量作更直接的测量，并尝试探索超导线路在非厄米拓扑系统研究中的应用。同时将与相关的实验组进行合作，为未来的相关实验提供理论基础。

近年来，以传输线谐振腔、transmons和超导量子干涉仪组合实现的超导量子线路系统成为一种被科学家广泛采用的新兴量子器件。在超导量子线路里可以对每个单元之间的相互作用进行独立调控，并对每个元件上的物理量精确测量。利用这些超导量子线路独有的优势，对一些典型的物理系统进行模拟探测，或者在超导量子线路上实现一些需要精准调控的物理过程都具有深远的意义。本项目主要专注于在超导量子线路上进行拓扑物理系统的量子模拟以及在线路上通过不同方式进行量子态传输，主要包括以下研究内容和成果：（1）在一维超导量子线路上通过调节相互作用以及磁场强度实现了非阿贝尔的拓扑零能态的模拟与转换；（2）在二维超导量子线路上设计实现了对量子自旋霍尔效应的模拟，并给出了通过探测边界态的方法进行验证的实验方案；（3）设计了三角形结构的超导比特结构，基于传统的受激绝热拉曼通道的设置，通过随时间调节相互作用的方式实现完成了非互易的量子态传输；（4）设计了一维的有格点势能的自旋链上的高保真度高鲁棒性量子态传输。