第一作者：冯伟

通讯作者：张俊香，杨垂平

发表期刊：Frontiers of Physics

期刊Impact Factor：7.5

通讯单位：杭州师范大学，浙江大学

论文DOI： 10.1007/s11467-023-1319-x

成果简介：

近日，杭州师范大学物理学院冯伟博士及合作者在物理综合类期刊Frontiers of Physics上发表题为“Quantum simulation of Hofstadter butterfly with synthetic gauge fields on two-dimensional superconducting-qubit lattices”的研究论文。

霍夫斯塔特蝴蝶（Hofstadter butterfly）是凝聚态物理中著名的分形能谱，最早由Hofstadter于1976年在理论上预言。然而，如果想要在实际的天然晶体中观测到这种分形能谱现象，所需的磁场强度至少为几万个特斯拉。目前的实验条件还远远达不到这一要求。因此，在人工量子体系中基于合成的等效磁场来模拟霍夫斯塔特蝴蝶就凸显出其意义。

在这项研究工作中，我们基于最近实验上报道的二维超导量子比特晶格架构，理论上设计了一套针对超导量子比特的频率调制方案。通过这种特殊设计的驱动调制，使得原本量子比特间的实数相互作用变换为有效的复数相互作用，其携带的相位与真实磁场对布洛赫电子造成的Berry相位等效。基于这种合成的超强等效磁场，我们可以在现有的超导量子芯片上演示霍夫斯塔特蝴蝶分形能谱。该方案的五比特版本已经被浙江大学超导量子计算团队实验验证。对于更多量子比特的情形，我们基于实验上的真实量子芯片的实际参数做了数值模拟，得到的能谱见上图，可以看到清晰的蝴蝶形状分形图案。

本工作感谢国家自然科学基金以及杭州师范大学科研启动经费的资助。