中国科大等利用量子模拟技术实现拓扑数的直接测量

近日，中国科学技术大学教授、中国科学院院士杜江峰领衔的实验课题组和耶鲁大学理论合作者蒋良，利用金刚石中自旋作为量子模拟器，在国际上首次直接测量了拓扑数。研究成果以"编辑推荐"的形式发表在8月4日的《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016)]。

拓扑数可以用来表征一种特殊的相变——拓扑相变，这种相变无法用朗道对称性破缺理论解释。自量子霍尔效应发现以来，许多拓扑相被理论预测和实验验证，然而在实验上直接测量拓扑数仍然是一项挑战。目前拓扑体系大多在实验上很难制备，一种可行的研究手段是用另一种可控的量子系统模拟它。如果量子模拟器的哈密顿量被调控到和拓扑体系完全一致，那么拓扑体系的全部信息都可以被量子模拟器提取。

之前已有研究人员利用超导量子线路模拟拓扑系统并成功测量陈数，但是他们的测量需要对一个连续空间积分，由于实验条件的限制只能探测有限多的物理量，因而这种测量方式往往误差很大，无法给出离散的拓扑数。而杜江峰课题组与合作者采用金刚石中氮-空位点缺陷这一量子体系，通过精心设计的微波和射频脉冲，完全重构了不同相空间中拓扑体系的哈密顿量，精确地测量到了离散的拓扑数，并观察到了清晰的拓扑相变。

这一实验结果为基于金刚石体系量子模拟器的广泛应用奠定了基础。通过耦合多个氮-空位点缺陷可以构建可扩展量子模拟器，通过精确调控各个自旋可以模拟更为复杂的拓扑体系，当然也可以用来研究其他有趣的量子系统。相比于建造通用量子计算机，量子模拟器有望率先进入实用阶段。对于一些复杂的材料体系，实验制备存在技术挑战，经典计算机又无能为力，这时利用量子模拟器研究便具有十分重要的现实意义。

另外，杜江峰领衔的研究团队利用相似的自旋量子调控技术在国际上首次实验检验了一类基于统计距离的测量型海森堡不确定关系。研究成果也发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 116, 160405 (2016)]。科技新闻网站Phys.org进行了报道，称"该工作提供了对海森堡不确定原理原始思想的更深理解，并具有潜在的实际应用"。

上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和教育部的支持。

金刚石量子模拟器示意图及主要实验结果