近日，在俞大鹏院士的带领下，深圳量子研究院超导量子计算团队的牛晶晶和钟有鹏等与香港中文大学的苗舰舰合作，在合成维度量子模拟研究领域取得重要实验进展。研究团队成功利用超导量子电路构建了多维福克态晶格，并实现了从二维到三维的Aharonov-Bohm （AB）笼效应。这一成果不仅展示了在高维合成维度中操纵量子态的可行方案，还为未来在更高维度的量子系统中研究量子多体物理和拓扑现象提供了新的途径。相关研究成果以“Synthetic Multidimensional Aharonov-Bohm cages in Fock state lattices”为题于2025年2月19日在国际学术期刊Physical Review Letters上在线发表。

图1 多维福克态晶格的构建方法

高维量子系统是凝聚态物理学的重要前沿领域。传统的量子系统多限于低维空间，而高维量子系统则能够展现出更加丰富的物理现象和广泛的应用前景。然而，在实验室中构建和操控高维量子系统一直面临巨大的技术挑战。近年来，合成维度的概念逐渐兴起，研究人员通过将量子系统的自由度重新解释为额外的空间维度，成功突破了传统空间的限制。这一方法为在低维实验平台中模拟高维量子现象提供了新的思路。此外，有效地操控量子态在高维度空间中的行为是实现高维量子系统研究的第一步。因此，如何在低维量子器件中构建高维对称性，如何在有限自由度下有效调控多路径中量子态的跃迁，是运用量子平台研究高维系统的重要基础问题。

图2 二维福克态晶格上的AB笼效应演示

在此项研究中，研究团队采用了一种创新方法，成功在超导量子电路中构建了多维福克态晶格并演示了量子态的精确操控。福克态晶格由光子数态构成，具有无限的希尔伯特空间，适用于模拟高维物理现象。为了实现这一目标，研究人员首先将低维排列的超导量子比特精确制备到特定状态，并通过快速调制其频率使得不同的多光子数态发生共振，进而构建出具备高维对称性的福克态晶格。福克态晶格中的格点之间可不再受限于低维物理空间上的近邻相互作用，高光子数的福克态之间可以产生丰富的多方向相互作用，提升了格点配位数，从而建立了高维对称性。研究人员通过联合调制多组物理比特之间的相互作用相位，等效控制了合成福克态晶格内部结构中的人工规范场，成功观察到了量子叠加态在多维福克态晶格上的受控行走和在特定子空间内的局域化现象，最终成功实现了从二维到三维的AB笼效应，并提供了进一步拓展到更高维的方案。

图3 三维八面体福克态晶格上的AB笼效应演示

在实验过程中，团队首先在二维晶格中实现了AB笼效应，随后通过引入两个垂直的菱形晶格构建了一个三维八面体福克态晶格。通过Floquet工程，研究人员合成了人工规范场，精确控制量子态在不同路径上积累的相位，从而实现了可控的量子干涉。在此基础上，研究人员成功地观察到了三维空间中的量子态局域化现象。进一步，研究团队还展示了如何将这一方法拓展到三维超晶格中，制备远距离格点之间的纠缠，并使用可调耦合器实现了更复杂的规范场控制，在超晶格上继续构造出了具有量子相干性的局域化子空间。

图4 三维超晶格上量子叠加态在特定子空间的局域化效应演示

这一研究成果不仅在理论上拓展了对高维量子系统的理解，也为未来在实验中研究高维量子物理现象提供了新的工具和方法。此外，随着这一方法向更高维度的超晶格拓展，它还为未来构建更复杂的高维量子模拟器奠定了技术基础。

在该研究工作中，量子研究院博士研究生张家健、黄文辉为论文共同第一作者。钟有鹏、苗舰舰、牛晶晶为通讯作者，俞大鹏院士为最后作者。深圳量子科学与工程研究院为论文第一完成单位。该研究工作得到了广东省科技厅、深圳市科创局、国家自然科学基金委、合肥国家实验室等单位的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.070601