清华大学段路明院士课题组新进展！在囚禁离子量子模拟器中观察到拓扑缺陷的量子叠加
拓扑缺陷是受全局性质保护的系统的不连续之处，在数学和物理学中具有广泛的应用。虽然以前的实验研究主要集中在经典性质上，但已预测出拓扑缺陷可以表现出量子叠加。尽管理解量子相变的对称性破缺动力学具有趣味与潜在应用，但其实验实现仍然是一个挑战。10月18日，清华大学、华翊量子公司组成的研究人员在《Science Advances》期刊上发表题为“Observation of quantum superposition of topological defects in a trapped-ion quantum simulator”（在囚禁离子量子模拟器中观察到拓扑缺陷的量子叠加）的研究论文，Zhi-Jie Cheng、Yu-Kai Wu为论文共同第一作者，段路明院士为论文通讯作者。
在本文中，研究人员报告了在囚禁离子量子模拟器中对拓扑缺陷的量子叠加的观察。通过设计长程自旋-自旋相互作用，观察到自旋纽结劈裂成不同位置的纽结叠加，从而产生表现出非局域性和量子干涉的“薛定谔纽结”。此外，通过制备具有不同相位的相邻纽结的叠加态，观察到了波包在不同方向上的传播，从而明确验证了叠加态中的量子相干性。此工作为量子Kibble-Zurek物理学中的非平衡动力学提供了有用的工具。
背景
拓扑缺陷是系统的低维不规则结构，受全局特性保护，不能被局域微扰创生或破坏。除了基本的数学兴趣外，拓扑缺陷在物理学的各个领域也发挥着重要作用，例如铁磁材料中的畴壁、高温超导体中的漩涡、大统一理论中的磁单极子和宇宙学中的宇宙弦。当系统快速通过连续相变时，拓扑缺陷会自然出现，这被称为Kibble-Zurek机制，因为弛豫时间在热力学极限的相变点发散，并且在任何有限速率下都变得比淬火动力学慢。Kibble-Zurek理论也已发展到量子领域，最近已在实验中得到证明。特别是，已经预测拓扑缺陷可以处于量子叠加态，它们的相干振荡受量子相变特性的控制。然而，尽管量子叠加已经在广泛的物理系统中进行了测试，从基本粒子到介观和宏观物体，如冷原子系综、大有机分子、机械振荡器和超导量子线路，但它对拓扑缺陷的证明仍然是一个实验挑战。这是因为，虽然拓扑缺陷可以被视为局部准粒子，但它们的检测需要测量系统的全局特性，因此会受到整个系统的退相干和态制备与测量（SPAM）错误的影响。在以前的实验中，只关注拓扑缺陷的密度，而不同位点之间的相位相干性尚未得到验证。Dziarmaga等人提出在自旋链中观察到这种相位相干性，如图1A所示，链中间初始化的拓扑缺陷（自旋纽结）可以向左或向右传播。类似于双缝实验，纽结向左或向右移动的波包与中间L个位点重叠，导致纽结位置的概率分布出现干涉条纹（图1B中的蓝色曲线）。然而，这种方案对于实验来说仍然具有挑战性，因为退相干率随L线性增加，使重叠区域成为两种对称性破缺态的混合。
图1：拓扑缺陷的相干动力学。
理论方法
为了观察拓扑缺陷的动力学，研究人员应用双色拉曼激光束生成横场伊辛模型哈密顿量：
，其中，Jij表示第i个和第j个自旋之间的伊辛耦合强度，受离子链的声子模式和激光参数控制。通过将激光失谐设置在最高横向声子模式之上，发现大致呈幂律衰减。将伊辛相互作用的最高本征态视为基态，得到耦合强度前面的符号为负。通过将双色激光的蓝光和红光失谐分量的频率沿同一方向移动，可以产生均匀的横场。
实验方法
在实验方法上，研究人员采用了离子阱量子模拟器来实现理论预测。他们利用了离子阱中离子的高保真状态准备和检测优势，以及长的量子比特相干时间。实验中，首先将21个171Yb+离子限制在一种刀片式的线性泡利阱中。通过精确控制离子量子比特，在自旋链的中间初始化了单个扭折。为了观察拓扑缺陷的量子叠加，研究人员设计了一种长程自旋-自旋相互作用，这种相互作用允许他们将单个扭折相干地劈裂，从而观察到量子干涉现象。研究人员还直接在两个相邻扭折的叠加态中制备离子，并观察到波包根据两个扭折之间的相对相位向不同方向传播，这无疑验证了制备状态中的量子相干性。研究人员使用双色Raman激光束来生成横向场伊辛模型哈密顿量。通过精确调控激光参数，能够在单扭折子空间中观察到量子干涉模式。此外，研究人员还通过改变初始相位来控制量子叠加态的传播方向，这一发现为量子信息处理提供了新的操作维度。为了校准扭折的势能，研究人员计算了自旋-自旋相互作用系数Jij，这些系数是根据每个离子的载波Rabi频率和声子模式参数独立校准的。通过设置双色Raman激光的失谐，进而确定了横场强度，并确保所有横向运动侧带只被虚拟激发。通过扫描探针场频率并测量各个自旋态，获得了每个自旋的翻转能量，实验结果与理论预测一致，验证了计算的Jij矩阵和有效的扭折势能的有效性。
图2：表征了伊辛相互作用和拓扑缺陷的有效势。
图3：叠加拓扑缺陷的观察。
图4：叠加拓扑缺陷的定向传播。
研究成果
研究人员观察到一维离子链中单个自旋纽结的非平衡量子动力学。通过观察量子干涉图案和由初始相位控制的方向传播来验证叠加自旋纽结的量子相干性。通过准备更多的自旋纽结，包括更多的离子，并增加演化时间，可以观察到更有趣的现象。后两个目前受到设备的激光强度和相干时间的限制，这将在未来的升级中得到改进。该方法还可以扩展到最近开发的二维囚禁离子模拟器，用于探索其他类型拓扑缺陷的相干动力学。
主要人员介绍
段路明，中国科学院院士，清华大学姚期智讲座教授、基础科学讲席教授。长期从事量子计算与量子信息技术的研究，取得了系统的原创性成果。完成了量子信息领域系列开创性工作，提出DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继方案和网络量子计算方案，为实现长距离量子通信和可扩展量子计算奠定了基础；提出通过量子网络互联进行规模化量子计算的方案，为近期离子量子计算的规模化发展奠定了基础，并受邀在物理学权威期刊《现代物理评论》上撰写此方向的综述；其提出的量子纠缠判据（DGCZ判据）在量子信息领域大量应用，被写入专著且章节目录为“DGCZ判据”。最近五年在清华，实现了二维原子存储阵列和拥有225个存储单元的量子存储器，刷新量子存储容量的纪录；首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠和量子中继模块之间的高效纠缠链接；首次实验实现了拉比-哈伯德模型在14亿亿维态空间中的量子模拟，超越了现有超算的直接模拟能力；首次利用同种离子编码两种类型的量子比特，以使得多比特量子计算体系中的串扰错误率低于容错量子计算阈值。