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儀表網 研發快訊】近日，清華大學交叉信息研究院段路明課題組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，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學概念，在磁學、高溫超導、大統一理論、宇宙學等物理領域具有廣泛的應用。此前的實驗研究通常只關注拓撲缺陷的密度等經典性質，雖然有理論工作預言了拓撲缺陷的量子疊加態，并將其應用于理解量子相變的動力學過程，但該現象的實驗觀測受到整個量子系統的退相干和量子態制備與測量誤差的限制而難以實現。
圖1.自旋扭結隨時間演化產生不同空間位置量子疊加態的示意圖
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的初態。研究人員進而利用長程相互作用的橫場伊辛模型實現平緩的自旋扭結有效勢場，觀察到自旋扭結在動力學演化過程中由于量子干涉效應分裂成位于不同位置的疊加態。
為了明確驗證拓撲缺陷疊加態的量子相干性，研究人員進一步利用21離子制備了自旋扭結在相鄰位置的量子疊加態。通過控制該疊加態的相對相位，研究人員觀察到自旋扭結選擇性地向不同方向傳播，從而排除了經典概率的傳播方式，驗證了疊加態的量子相干性。
圖2.實驗觀測自旋扭結傳播方向對初始疊加態相位的依賴關系
10月18日，相關研究成果以“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，發表于《科學·進展》(Science Advances)。
清華大學交叉信息研究院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。研究得到科技創新2030-“量子通信與量子計算機”重大項目、清華大學自主科研計劃、教育部、新基石研究員項目、清華篤實專項和清華大學啟動經費的資助和支持。
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