金剛石量子模擬器示意圖及主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國(guó)科學(xué)院院士杜江峰的實(shí)驗(yàn)課題組和耶魯大學(xué)理論合作者蔣良，利用金剛石中自旋作為量子模擬器，在上直接測(cè)量了拓?fù)鋽?shù)。研究成果以“編輯”的形式發(fā)表在8月4日的《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016)]。

　　拓?fù)鋽?shù)可以用來(lái)表征一種特殊的相變——拓?fù)湎嘧?，這種相變無(wú)法用朗道對(duì)稱性破缺理論解釋。自量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，許多拓?fù)湎啾焕碚擃A(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然而在實(shí)驗(yàn)上直接測(cè)量拓?fù)鋽?shù)仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。目前拓?fù)潴w系大多在實(shí)驗(yàn)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(tǒng)模擬它。如果量子模擬器的哈密頓量被調(diào)控到和拓?fù)潴w系*一致，那么拓?fù)潴w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(dǎo)量子線路模擬拓?fù)湎到y(tǒng)并成功測(cè)量陳數(shù)，但是他們的測(cè)量需要對(duì)一個(gè)連續(xù)空間積分，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制只能探測(cè)有限多的物理量，因而這種測(cè)量方式往往誤差很大，無(wú)法給出離散的拓?fù)鋽?shù)。而杜江峰課題組與合作者采用金剛石中氮-空位點(diǎn)缺陷這一量子體系，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的微波和射頻脈沖，*重構(gòu)了不同相空間中拓?fù)潴w系的哈密頓量，地測(cè)量到了離散的拓?fù)鋽?shù)，并觀察到了清晰的拓?fù)湎嘧儭?/span>

　　這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基于金剛石體系量子模擬器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)耦合多個(gè)氮-空位點(diǎn)缺陷可以構(gòu)建可擴(kuò)展量子模擬器，通過(guò)調(diào)控各個(gè)自旋可以模擬更為復(fù)雜的拓?fù)潴w系，當(dāng)然也可以用來(lái)研究其他有趣的量子系統(tǒng)。相比于建造通用量子計(jì)算機(jī)，量子模擬器有望進(jìn)入實(shí)用階段。對(duì)于一些復(fù)雜的材料體系，實(shí)驗(yàn)制備存在技術(shù)挑戰(zhàn)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)又無(wú)能為力，這時(shí)利用量子模擬器研究便具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　另外，杜江峰的研究團(tuán)隊(duì)利用相似的自旋量子調(diào)控技術(shù)在上實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了一類(lèi)基于統(tǒng)計(jì)距離的測(cè)量型海森堡不確定關(guān)系。研究成果也發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上[Phys. Rev. Lett. 116, 160405 (2016)]?？萍夹侣?span style="font-size:10.5pt">Phys.org進(jìn)行了報(bào)道，稱“該工作提供了對(duì)海森堡不確定原理原始思想的更深理解，并具有潛在的實(shí)際應(yīng)用”。