近日，中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等人與理論合作者北京大學(xué)劉雄軍等合作，在金剛石氮-空位（NV）色心體系的量子模擬實(shí)驗(yàn)研究方面取得新進(jìn)展。他們利用量子淬火動(dòng)力學(xué)在實(shí)驗(yàn)上模擬了凝聚態(tài)體系中尚未觀測(cè)到的三維手性拓?fù)浣^緣體，并對(duì)體內(nèi)和表面的拓?fù)湮锢磉M(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究。該研究成果以"Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator"為題，發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。

凝聚態(tài)體系中拓?fù)湮锵嗟陌l(fā)現(xiàn)革新了對(duì)量子物質(zhì)基本相認(rèn)識(shí)，相關(guān)研究成為凝聚態(tài)物理的主流研究方向。拓?fù)洳牧系幕咎匦允窃隗w內(nèi)具有非平凡拓?fù)?，邊界則出現(xiàn)和體拓?fù)湎鄬?duì)應(yīng)的邊界態(tài)。在過去的十多年里，人們?cè)趯ふ倚缕嫱負(fù)湮镔|(zhì)方面取得了大量突破，發(fā)現(xiàn)了諸多新的拓?fù)湎?，如量子霍爾效?yīng)、對(duì)稱保護(hù)的拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘?、拓?fù)涑瑢?dǎo)體等。盡管如此，在理論預(yù)言的眾多拓?fù)湎嘀?，目前仍只有很小的一部分在凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術(shù)，可以超越真實(shí)體系所受的限制，為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強(qiáng)有力的手段。諸多拓?fù)湮锢碓诟鞣N量子模擬器上成功實(shí)現(xiàn)，包括二維Haldane模型、自旋軌道耦合下的量子反常霍爾效應(yīng)最小模型、一維手性拓?fù)湎嗪腿S半金屬等。通常量子模擬器上只能模擬拓?fù)潴w態(tài)或者邊界態(tài)，但無(wú)法做到同時(shí)模擬體內(nèi)和邊界，進(jìn)而準(zhǔn)確研究體-邊對(duì)應(yīng)。

最近北京大學(xué)劉雄軍教授組提出了平衡態(tài)拓?fù)湮锵嗟膭?dòng)力學(xué)表征理論 [Science Bull. 63, 1385 (2018)]，可以在動(dòng)量空間得到普適的體-面（能帶反轉(zhuǎn)面）對(duì)應(yīng)，類同于拓?fù)湎嘣趯?shí)空間的體-邊對(duì)應(yīng)，為基于量子模擬研究拓?fù)湮镄蕴峁┝死碚摶A(chǔ)。隨后，中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰院士和王亞教授等利用金剛石氮-空位缺陷自旋體系首先在二維拓?fù)潴w系上實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了該動(dòng)力學(xué)體-邊對(duì)應(yīng)關(guān)系[Phys. Rev. A 100, 052338 (2019)]。

在該研究中，他們進(jìn)一步將上述方法擴(kuò)展到三維手性拓?fù)浣^緣體這一尚未在凝聚態(tài)體系中觀測(cè)到的拓?fù)湎嘀?。在金剛石NV色心量子模擬器上，調(diào)控三維手性拓?fù)浣^緣體在動(dòng)量空間中的哈密頓量，利用量子態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化來(lái)表征哈密頓量，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)湮锵嗟膭?dòng)力學(xué)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅進(jìn)一步支持了理論方法在向高維拓?fù)潴w系拓展的適用性，也觀察到了對(duì)稱性對(duì)拓?fù)湎嗟谋Ｗo(hù)、拓?fù)浜蓤D像、以及衍生拓?fù)滢D(zhuǎn)變等一系列物理現(xiàn)象，加深了動(dòng)力學(xué)拓?fù)湮锵嘌芯康睦斫?，為更廣泛的拓?fù)湮锵嗟难芯看蛳铝嘶A(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)中使用的金剛石固態(tài)單自旋體系因其在室溫下就易于初始化、操控和讀出，是當(dāng)前發(fā)展較為成熟的量子調(diào)控實(shí)驗(yàn)體系，在實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算、量子模擬和量子精密測(cè)量等研究中具有很好的應(yīng)用前景。中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)一直致力于該體系的量子相干控制和應(yīng)用研究，僅在量子模擬方向上就發(fā)表了多篇高水平研究論文[如Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016), Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)等]。

近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)深入發(fā)展金剛石色心樣品制備等底層關(guān)鍵技術(shù)，已掌握高純金剛石樣品的制備工藝，自主制備的NV色心在相干時(shí)間T₂^*與熒光計(jì)數(shù)關(guān)鍵物理性能上達(dá)到國(guó)ji先進(jìn)水平。正是得益于自制樣品的*性能，以及團(tuán)隊(duì)在固態(tài)自旋量子態(tài)操控上的領(lǐng)xian技術(shù)，才使得本次量子模擬實(shí)驗(yàn)研究得以完成。未來(lái)通過進(jìn)一步發(fā)展與提升金剛石單自旋樣品的性能、調(diào)控技術(shù)和單次讀出探測(cè)技術(shù)等，有望推進(jìn)金剛石單自旋體系在量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用。

金剛石NV色心簡(jiǎn)述

金剛石NV色心是金剛石晶體中的一種缺陷，由一個(gè)取代碳原子的氮原子和相鄰一個(gè)空位（碳原子缺失）組成。NV色心有六個(gè)電子，兩個(gè)來(lái)自氮原子，三個(gè)來(lái)自與空位相鄰的碳原子，另外一個(gè)是俘獲的（來(lái)自施主雜質(zhì)的）電子。金剛石NV色心是一種符合DiVincenzo標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算體系。金剛石NV色心一般存在兩種電荷狀態(tài)，一種是電中性NV⁰，另一種帶一個(gè)負(fù)電荷NV^-，量子計(jì)算中用到的體系一般為后一種。

NV色心的基態(tài)可以等效為自旋為1的電子自旋，其中的兩個(gè)自旋能級(jí)可以用來(lái)編碼量子比特。結(jié)合N（N的兩種同位素¹⁴N和¹⁵N均具有核自旋）以及相鄰的¹³C核自旋，每個(gè)NV色心可以看成由數(shù)個(gè)量子比特組成的量子寄存器。不同的NV色心可以通過磁或光子的方式耦合，從而形成用以量子計(jì)算的可擴(kuò)展系統(tǒng)。通過¹²C同位素富集，NV色心中量子比特可具有長(zhǎng)的相干時(shí)間。可以通過施加激光實(shí)現(xiàn)對(duì)NV色心電子自旋的初始化和讀出，通過施加微波和射頻脈沖實(shí)現(xiàn)量子邏輯門。目前NV色心自旋體系的單比特量子邏輯門的保真度可達(dá)99.995 %，兩比特量子邏輯門的保真度可達(dá)99.2 %。

金剛石中氮空位（NV）色心的四個(gè)可能方向。碳原子以黑色表示，氮原子以藍(lán)色表示，空位（V）以白色表示。NV電子旋轉(zhuǎn)由紅色箭頭指示。

國(guó)儀量子公司發(fā)布的量子鉆石單自旋譜儀也可用于量子模擬實(shí)驗(yàn)研究。量子鉆石單自旋譜儀是一臺(tái)基于氮-空位（NV色心）的以自旋磁共振為原理的量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過控制光、電、磁等基本物理量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石中NV色心發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，具有初態(tài)是量子純態(tài)，自旋量子相干時(shí)間長(zhǎng)，量子操控能力強(qiáng)大，量子塌縮測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等*優(yōu)勢(shì)。

量子鉆石單自旋譜儀在譜學(xué)分析和結(jié)構(gòu)解析等應(yīng)用中具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)單蛋白等單分子電子順磁共振，納米尺度核磁共振，活體細(xì)胞溫度、磁場(chǎng)、動(dòng)作電位探測(cè)等。

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