物质拓扑相的发现是凝聚态物理学中的一个重要里程碑，而拓扑绝缘体作为其中一个相关的研究课题始终吸引着广泛的研究兴趣和关注。拓扑绝缘体的显著特征之一是系统中存在受拓扑保护的边界模，其分布在系统的边界处并对局部的扰动和无序不敏感。由于其出色的鲁棒性，拓扑边界模在量子信息处理和量子计算等研究领域中具有十分广阔的应用前景。此外，拓扑边界模之间的绝热泵浦是另一个重要的研究方向，其依赖于系统含时参数的绝热调节并能产生跨越整个晶格的激发输运，这为高效鲁棒的量子态转移和操控开辟了全新的途径和方法。
近年来，随着微纳制造及材料加工技术的快速发展，超导电路量子电动力学系统已经成为用于实施晶格模型量子模拟的强有力平台之一，其具有容易构建和高度可控的优点，这归因于其灵活的结构可设计性和独立的参数可调性。目前，通过超导电路量子电动力学晶格模拟拓扑绝缘体并基于拓扑边界模之间的绝热泵浦过程，许多快速和鲁棒的量子态转移方案已经被提出。然而，在超导电路量子电动力学晶格中，能否依据这一泵浦过程设计新颖的量子光学装置，引起了科学家们极大的兴趣并受到越来越多的关注。
为探究这一问题，王洪福教授研究团队通过利用一维周期调制的时变超导电路量子电动力学晶格模拟二聚化的聚乙炔Su-Schrieffer-Heeger模型，并基于系统中两个特定拓扑边缘模之间绝热泵浦过程的非互易性设计构建了受拓扑保护的量子二极管。研究发现，位于该晶格两个边界超导共振器处的光子激发之间的转移是单向的，这可实现由非互易输运现象所表征的量子二极管，且该单向转移的过程会随着周期调制振幅的增加而变得越发明显，这能提高由保真度所定义的该量子二极管的质量。为加速该量子二极管中的非互易输运行为，通过变换周期调制的形式并基于控制函数的最优化设计，一个更快速的单向转移过程也得到了实现，且花费的时间可减少将近三分之一。此外，该量子二极管抵御适度的无序的鲁棒性也得到了进一步的验证。该研究成果为拓扑系统中量子输运的应用提供了独特的思路和见解，并在鲁棒和高效量子态操控的设计和开发等方面具有广阔的应用前景。
上述研究由我校和哈尔滨工业大学合作完成，论文第一作者为赵雪冬博士生，是我校和哈尔滨工业大学联合培养博士生；王洪福教授，刘树田教授及崔文学副教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目，延边大学高端人才项目，延边大学优秀科技创新团队等项目经费的支持。
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论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-023-00729-1
