清華新聞網(wǎng)10月22日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明課題組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到拓?fù)淙毕莸牧孔盈B加。拓?fù)淙毕葑鳛橐粋€(gè)基本的數(shù)學(xué)概念，在磁學(xué)、高溫超導(dǎo)、大統(tǒng)一理論、宇宙學(xué)等物理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。此前的實(shí)驗(yàn)研究通常只關(guān)注拓?fù)淙毕莸拿芏鹊冉?jīng)典性質(zhì)，雖然有理論工作預(yù)言了拓?fù)淙毕莸牧孔盈B加態(tài)，并將其應(yīng)用于理解量子相變的動(dòng)力學(xué)過程，但該現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀測受到整個(gè)量子系統(tǒng)的退相干和量子態(tài)制備與測量誤差的限制而難以實(shí)現(xiàn)。
圖1.自旋扭結(jié)隨時(shí)間演化產(chǎn)生不同空間位置量子疊加態(tài)的示意圖
該工作中，研究人員通過對各個(gè)離子量子比特的單獨(dú)尋址操控，在20個(gè)離子的一維離子鏈上制備了單個(gè)自旋扭結(jié)的初態(tài)。研究人員進(jìn)而利用長程相互作用的橫場伊辛模型實(shí)現(xiàn)平緩的自旋扭結(jié)有效勢場，觀察到自旋扭結(jié)在動(dòng)力學(xué)演化過程中由于量子干涉效應(yīng)分裂成位于不同位置的疊加態(tài)。
為了明確驗(yàn)證拓?fù)淙毕莜B加態(tài)的量子相干性，研究人員進(jìn)一步利用21離子制備了自旋扭結(jié)在相鄰位置的量子疊加態(tài)。通過控制該疊加態(tài)的相對相位，研究人員觀察到自旋扭結(jié)選擇性地向不同方向傳播，從而排除了經(jīng)典概率的傳播方式，驗(yàn)證了疊加態(tài)的量子相干性。
圖2.實(shí)驗(yàn)觀測自旋扭結(jié)傳播方向?qū)Τ跏集B加態(tài)相位的依賴關(guān)系
10月18日，相關(guān)研究成果以“捕獲離子量子模擬器中拓?fù)淙毕莸牧孔盈B加觀察”（Observation of quantum superposition of topological defects in a trapped ion quantum simulator）為題，發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。
清華大學(xué)交叉信息研究院2019級(jí)博士生程志杰和助理教授吳宇愷為論文共同第一作者，交叉信息研究院段路明院士為論文通訊作者。其他作者包括交叉信息研究院2021級(jí)博士生李世蛟、華翊量子公司梅全鑫博士和李博文博士、交叉信息研究院2019級(jí)博士生王港曦、博士后姜越、助理研究員祁賓祥、副研究員周子超、助理教授侯攀宇。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、清華篤實(shí)專項(xiàng)和清華大學(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助和支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9527
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
