【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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)域取得重要進展，首次在實驗上觀測到拓撲缺陷的量子疊加。拓撲缺陷作為一個基本的數(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。此前的實驗研究通常只關(guān)注拓撲缺陷的密度等經(jīng)典性質(zhì)，雖然有理論工作預(yù)言了拓撲缺陷的量子疊加態(tài)，并將其應(yīng)用于理解量子相變的動力學(xué)過程，但該現(xiàn)象的實驗觀測受到整個量子系統(tǒng)的退相干和量子態(tài)制備與測量誤差的限制而難以實現(xiàn)。
 

圖1.自旋扭結(jié)隨時間演化產(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離子量子比特的單獨尋址操控，在20個離子的一維離子鏈上制備了單個自旋扭結(jié)的初態(tài)。研究人員進而利用長程相互作用的橫場伊辛模型實現(xiàn)平緩的自旋扭結(jié)有效勢場，觀察到自旋扭結(jié)在動力學(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)。
 

　　為了明確驗證拓撲缺陷疊加態(tài)的量子相干性，研究人員進一步利用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，驗證了疊加態(tài)的量子相干性。
 

圖2.實驗觀測自旋扭結(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撲缺陷的量子疊加觀察”(Observation of quantum superposition of topological defects in a trapped ion quantum simulator)為題，發(fā)表于《科學(xué)·進展》(Science Advances)。
 

　　清華大學(xué)交叉信息研究院2019級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-“量子通信與量子計算機”重大項目、清華大學(xué)自主科研計劃、教育部、新基石研究員項目、清華篤實專項和清華大學(xué)啟動經(jīng)費的資助和支持。