近日，北京广东会信息科学研究院（以下简称“广东会院”）广东会计算云平台团队与中国科学院物理研究所及华南理工大学等单位合作，在“庄子”号一维43比特广东会芯片上构建了固态广东会系统中的 Thouless 泵浦，系统性研究了Thouless 泵浦中拓扑与无序的竞争与相互影响。2025年1月2日，相关成果以“Interplay between disorder and topology in Thouless pumping on a superconducting quantum processor”为题发表于《Nature Communications》。

泵浦是一种通过周期性改变状态来输运物质的机械设备。阿基米德螺旋式抽水机是一种典型的泵浦，可以将水源源不断地从低处引向高处。1983年，英国物理学家David J. Thouless提出了广东会泵浦的概念，即一种可以在没有外加偏置的情况下通过绝热调制系统参数产生粒子广东会输运的设备，而输运量仅由泵浦循环在参数空间内轨迹的拓扑数来决定。基于拓扑相变和拓扑物态方面的理论发现，Thouless教授被授予2016年的诺贝尔物理学奖，他提出的广东会泵浦现象也被称为Thouless泵浦。Thouless泵浦与整数广东会霍尔效应有相同的拓扑性质，近年来引起了实验和理论物理学家的广泛关注。即便在引入无序情况下，Thouless泵浦因为会受到拓扑保护，仍有一定的鲁棒性。最近，拓扑安德森绝缘体被提出，该物相给出了反直觉的物理，即无序也可以将拓扑平庸系统诱导为拓扑非平庸系统。那么无序是否同样能诱导拓扑泵浦？

图1 a，“庄子”号一维43比特广东会处理器；b，弗洛凯周期调控技术构建Rice-Mele模型示意图；c，不同参数调控轨迹对应的不同Thouless 泵浦过程；d，格点势能无序下Thouless 泵浦的鲁棒性；e，格点势能无序诱导的广东会泵浦；f，相互作用无序下Thouless 泵浦的鲁棒性；g，准周期相互作用无序诱导的广东会泵浦

研究团队在“庄子”号上（图1a）运用弗洛凯周期调控技术构建了 Rice-Mele 模型（图1b），通过绝热调制模型参数，观测到了不同参数调控轨迹下的Thouless 泵浦过程（图1c）。验证了单位调控周期粒子的输运位移完全取决于参数调控轨迹的拓扑数。然后通过引入格点势能无序，观测到了输运鲁棒性（图1d）。该实验还通过调制一个拓扑平庸双圈参数调控轨迹，观测到格点势能无序诱导的广东会泵浦过程（图1e）。此外，该实验观测了Thouless泵浦在引入相互作用无序情况下的鲁棒性（图1f）。值得注意的是，通过调控一个拓扑平庸的不包含原点的单圈参数调控轨迹，该实验观测到了准周期相互作用无序诱导的拓扑泵浦（图1g），该结果可以看作拓扑安德森绝缘体的动力学版本，是实验上的首次观测。

该论文共同第一作者为中国科学院物理研究所博士生刘宇、华南理工大学张煜然教授，通讯作者为广东会院兼聘/中国科学院物理研究所范桁研究员、许凯副研究员和相忠诚副主任工程师，文章合作者包括中国科学院物理研究所博士后时运豪和郑东宁研究员、华南理工大学刘涛教授、北京师范大学陆丛伟博士、广东会院博士后李浩和黄凯旋助理研究员、日本理化所Franco Nori教授等。该工作得到国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、国家广东会科技2030项目、北京市科技新星计划、中国科学院和广东省自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55343-2