中國科大等利用量子模擬技術實現拓撲數的直接測量

　　近日，中國科學技術大學教授、中國科學院院士杜江峰領銜的實驗課題組和耶魯大學理論合作者蔣良，利用金剛石中自旋作為量子模擬器，在國際上首次直接測量了拓撲數。研究成果以“編輯推薦”的形式發表在8月4日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016)]。

　　拓撲數可以用來表征一種特殊的相變——拓撲相變，這種相變無法用朗道對稱性破缺理論解釋。自量子霍爾效應發現以來，許多拓撲相被理論預測和實驗驗證，然而在實驗上直接測量拓撲數仍然是一項挑戰。目前拓撲體系大多在實驗上很難制備，一種可行的研究手段是用另一種可控的量子系統模擬它。如果量子模擬器的哈密頓量被調控到和拓撲體系完全一致，那么拓撲體系的全部信息都可以被量子模擬器提取。

　　之前已有研究人員利用超導量子線路模擬拓撲系統并成功測量陳數，但是他們的測量需要對一個連續空間積分，由于實驗條件的限制只能探測有限多的物理量，因而這種測量方式往往誤差很大，無法給出離散的拓撲數。而杜江峰課題組與合作者采用金剛石中氮-空位點缺陷這一量子體系，通過精心設計的微波和射頻脈沖，完全重構了不同相空間中拓撲體系的哈密頓量，精確地測量到了離散的拓撲數，并觀察到了清晰的拓撲相變。

　　這一實驗結果為基于金剛石體系量子模擬器的廣泛應用奠定了基礎。通過耦合多個氮-空位點缺陷可以構建可擴展量子模擬器，通過精確調控各個自旋可以模擬更為復雜的拓撲體系，當然也可以用來研究其他有趣的量子系統。相比于建造通用量子計算機，量子模擬器有望率先進入實用階段。對于一些復雜的材料體系，實驗制備存在技術挑戰，經典計算機又無能為力，這時利用量子模擬器研究便具有十分重要的現實意義。

　　另外，杜江峰領銜的研究團隊利用相似的自旋量子調控技術在國際上首次實驗檢驗了一類基于統計距離的測量型海森堡不確定關系。研究成果也發表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 116, 160405 (2016)]。科技新聞網站Phys.org進行了報道，稱“該工作提供了對海森堡不確定原理原始思想的更深理解，并具有潛在的實際應用”。

　　上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和教育部的支持。

金剛石量子模擬器示意圖及主要實驗結果