近日，浙江大学王大伟、王浩华和宋超等人，在science发表了题为“Observing the quantum topology of light”的研究论文。
该研究对超导电路中量子化光的拓扑态进行了实验，并由此构造了一维和二维的Fock态晶格，实现了丰富的拓扑物理，包括Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型的拓扑零能态、应变诱导的赝朗道能级、谷霍尔效应和霍尔丹手征边缘电流。
同时研究将光的拓扑状态扩展到量子领域，将凝聚态物理的拓扑相位与电路量子电动力学联系起来，并提供了控制多个谐振器的量子状态的自由。

利用电路QED平台有利的可集成性和可调谐性，设计并制造了一个超导电路来构建和设计FSL。
图1 多模Jaynes-Cummings模型的Fock态晶格
作者使用多个量子化的光模式来耦合原子。
在两种光模式下，Fock态形成了SSH模型的一维(1D)晶格。通过仅仅增加一个其他模式，获得了二维(2D)应变蜂窝晶格，这些晶格的特征是依赖于位置的耦合强度。
图2 焦点态Su-Schrieffer-Heeger模式下拓扑零能态的绝热输运
通过分析晶格动力学的光谱来观察朗道能级。确定Q0的概率的演化，然后执行快速傅立叶变换，结果表明Lifshitz拓扑边缘将FSL分成半金属阶段和带状绝缘体两个阶段。通过引入线性势来模拟电场对电子的作用，可以观察到VHE，并通过实验证明了这种效应。
图 3 N=5的2D Fock态晶格中的赝朗道能级
实验中直接激发R1和R2得到一个初态。然后，周期性地调整耦合强度以实现霍尔丹哈密顿量。
随后测量作为时间函数的平均光子数，显示了手征运动。理想情况下，波函数应该在内切圆上，即在Lifshitz拓扑边上。
图 4 2D Fock态晶格中的谷霍尔效应
该方法可以推广到研究更复杂的量子谐振器耦合系统的拓扑状态，其中谐振器的数量决定了FSL的维度，量子位的每个状态都标记了一个子晶格，其丰富程度超过了凝聚态物理中已知的拓扑相位。
图5 Fock态霍尔丹模型的手征边缘电流
本研究为研究FSL中的拓扑相和发展玻色子模量子态工程的新控制方法铺平了道路。
来源：化学科讯、浙江大学
参考文献：
JINFENG DENG, et al. Observing the quantum topology of light.Science,2022,378(6623):966-971.
DOI:10.1126/science.ade6219.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade6219
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