科大在金刚石量子模拟研究领域取得新进展 2020-07-30

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中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人与理论合作者北京大学刘雄军等合作，在金刚石氮-空位（NV）色心体系的量子模拟实验研究方面取得新进展。他们利用量子淬火动力学在实验上模拟了凝聚态体系中尚未观测到的三维手性拓扑绝缘体，并第一次对体内和表面的拓扑物理进行了全面的实验研究。该研究成果以Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator为题，发表在近期的《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。

凝聚态体系中拓扑物相的发现革新了对量子物质基本相认识，相关研究成为凝聚态物理的主流研究方向。拓扑材料的基本特性是在体内具有非平凡拓扑，边界则出现和体拓扑相对应的边界态。在过去的十多年里，人们在寻找新奇拓扑物质方面取得了大量突破，发现了诸多新的拓扑相，如量子霍尔效应、对称保护的拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体等。尽管如此，在理论预言的众多拓扑相中，目前仍只有很小的一部分在凝聚态实验中被观察到。量子模拟作为一种前沿的技术，可以超越真实体系所受的限制，为探索和研究各种奇异的量子物相提供了一种强有力的手段。诸多拓扑物理在各种量子模拟器上成功实现，包括二维Haldane模型、自旋轨道耦合下的量子反常霍尔效应最小模型、一维手性拓扑相和三维半金属等。通常量子模拟器上只能模拟拓扑体态或者边界态，但无法做到同时模拟体内和边界，进而准确研究体-边对应。

最近北京大学刘雄军教授组提出了平衡态拓扑物相的动力学表征理论 [Science Bull. 63, 1385 (2018)]，可以在动量空间得到普适的体-面（能带反转面）对应，类同于拓扑相在实空间的体-边对应，为基于量子模拟研究拓扑物性提供了理论基础。随后，中科大杜江峰院士和王亚教授等利用金刚石氮-空位缺陷自旋体系首先在二维拓扑体系上实验观测到了该动力学体-边对应关系[Phys. Rev. A 100, 052338 (2019)]。

在本工作中，他们进一步将上述方法扩展到三维手性拓扑绝缘体这一尚未在凝聚态体系中观测到的拓扑相中。他们在金刚石NV色心量子模拟器上，精确调控三维手性拓扑绝缘体在动量空间中的哈密顿量，利用量子态的动力学演化来表征哈密顿量，从而实现拓扑物相的动力学表征。实验结果不仅进一步支持了理论方法在向高维拓扑体系拓展的适用性，也观察到了对称性对拓扑相的保护、拓扑荷图像、以及衍生拓扑转变等一系列物理现象，加深了动力学拓扑物相研究的理解，为更广泛的拓扑物相的研究打下了基础。

实验中使用的金刚石固态单自旋体系因其在室温下就易于初始化、操控和读出，是当前发展较为成熟的量子调控实验体系，在实现固态量子计算、量子模拟和量子精密测量等研究中具有很好的应用前景。中国科学院微观磁共振重点实验室一直致力于该体系的量子相干控制和应用研究，仅在量子模拟方向上就发表了多篇高水平研究论文[如Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016), Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)等]。近年来，该团队深入发展金刚石色心样品制备等底层关键技术，已掌握高纯金刚石样品的制备工艺，自主制备的NV色心在相干时间T2*与荧光计数关键物理性能上达到国际先进水平。正是得益于自制样品的优越性能，以及该团队在固态自旋量子态精确操控上的领先技术，才使得本次量子模拟实验研究得以完成。未来通过进一步发展与提升金刚石单自旋样品的性能、调控技术和单次读出探测技术等，有望推进金刚石单自旋体系在量子信息领域产生更广泛的应用。

中国科学院微观磁共振重点实验室博士研究生季文韬和北京大学博士研究生张林为共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.020504

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

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