清華新聞網(wǎng)3月26日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授課題組利用囚禁離子實(shí)現(xiàn)了合成維度和人工磁場(chǎng)的量子模擬。課題組利用離子的內(nèi)部自旋和外部空間振動(dòng)自由度，分別模擬一個(gè)空間維度，實(shí)現(xiàn)了雙腳梯（two-leg ladder）格點(diǎn)上各向異性Harper-Hofstadter模型和可控磁場(chǎng)的量子模擬，并觀測(cè)到其中拓?fù)溥吘墤B(tài)的手性運(yùn)動(dòng)和量子相變等現(xiàn)象，展現(xiàn)了離子阱系統(tǒng)通過量子模擬研究拓?fù)淞孔討B(tài)的重要應(yīng)用。
合成維度是量子模擬研究拓?fù)湮飸B(tài)的重要手段，可用于研究實(shí)驗(yàn)室難以直接獲得的高維材料性質(zhì)，也可通過調(diào)節(jié)格點(diǎn)之間的躍遷振幅實(shí)現(xiàn)可控的人工磁場(chǎng)，模擬實(shí)驗(yàn)中難以直接達(dá)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。此前，在中性原子、光子學(xué)等系統(tǒng)中已通過內(nèi)部能級(jí)和離散的頻率、動(dòng)量、角動(dòng)量等模式實(shí)現(xiàn)過合成維度。該研究首次在離子阱系統(tǒng)利用離子在空間振動(dòng)的無(wú)窮維福克態(tài)（Fock state）實(shí)現(xiàn)合成維度，擴(kuò)展了合成維度的實(shí)現(xiàn)方式和在離子阱系統(tǒng)的應(yīng)用。
圖1.實(shí)驗(yàn)方案示意圖
為獲得合成維度，研究人員設(shè)計(jì)方案利用多頻激光實(shí)現(xiàn)離子內(nèi)部能級(jí)和空間振動(dòng)自由度之間的耦合，進(jìn)而將兩種自由度映射為雙腳梯格點(diǎn)，從而產(chǎn)生格點(diǎn)之間相位可調(diào)的躍遷，以實(shí)現(xiàn)可控的人工磁場(chǎng)。研究人員首先在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下驗(yàn)證了所獲得的各向異性Harper-Hofstadter模型量子模擬結(jié)果的正確性，進(jìn)而演示了該模型中拓?fù)涫中赃吘墤B(tài)的運(yùn)動(dòng)。研究人員設(shè)計(jì)準(zhǔn)絕熱演化路徑制備該模型的基態(tài)，并測(cè)量其手性電流隨著人工磁場(chǎng)的變化，演示了該模型的量子相變特性。該研究有望推廣到更高的合成維度，拓展了離子阱量子模擬平臺(tái)在拓?fù)淞孔游飸B(tài)研究的應(yīng)用，同時(shí)也將Harper-Hofstadter模型的量子相變與自旋-玻色子模型的量子相變關(guān)聯(lián)起來(lái)，加深對(duì)其物理機(jī)制的理解。
圖2.實(shí)驗(yàn)測(cè)量各向異性Harper-Hofstadter模型量子相變
近日，相關(guān)研究成果以“在捕獲離子量子模擬器中實(shí)現(xiàn)合成維度和人工磁通量”（Realizing Synthetic Dimensions and Artificial Magnetic Flux in a Trapped-Ion Quantum Simulator）為題，于3月25日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。?
清華大學(xué)交叉信息研究院教授段路明為論文通訊作者，清華大學(xué)交叉信息研究院2019級(jí)博士生王也和助理教授吳宇愷為論文共同第一作者。其他作者包括交叉信息研究院博士后姜越，華翊博奧（北京）量子科技有限公司成員蔡明磊、李博文、梅全鑫，交叉信息研究院助理研究員祁賓祥、副研究員周子超。研究得到科技創(chuàng)新2030-“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目，清華大學(xué)自主科研計(jì)劃，教育部、新基石研究員項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.130601
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
