50步的量子行走，郭光燦團隊再次推進拓撲物態領域核心研究

最新 07-11

拓撲物態是由量子效應導致的與某些拓撲性質相聯繫的新物態，是近10年來凝聚態物理領域內最為重要和快速發展的前沿熱點之一，其影響力已從凝聚態物理研究輻射到整個物理學，乃至化學、材料學、信息學、生物學、電子技術、半導體技術、能源技術等廣闊的領域。

事實上，正是普林斯頓大學教授鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）、華盛頓大學教授戴維·索利斯（David Thouless）以及布朗大學教授邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）「因其拓撲相變和拓撲物態的理論發現」(for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phase transitions and topological phases of matter)，一舉擊敗了當年的LIGO三劍客Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，被授予了2016年諾貝爾物理學獎，以表彰他們在拓撲相變和拓撲物態方面所做出的傑出的理論貢獻。

當時，諾貝爾評獎委員會成員對此評論說，「他們的理論研究為我們打開了一個全新的物質世界」。包括許多業界人士以及物理學研究人員都對其工作成果表示了相當的肯定，可謂是「實至名歸」。

2016年諾貝爾物理學獎得主(左至右)鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）、戴維·索利斯（David Thouless）、邁克爾·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）

拓撲物態的出現為人類帶來了全新的豐富拓撲物性，例如：拓撲邊界態、手征對稱性、無耗散、非定域響應、拓撲保護等等，有些特性是在以前的凝聚態物理研究中從未遇到的。

其對環境細節不敏感的獨特特性，可實現能量和信息的無損耗傳播，這將徹底顛覆我們現有的電子、信息和半導體技術，有望產生基於全新概念的電子和自旋器件、磁電和熱電材料及器件、拓撲量子計算器件等，從而推動物理學、化學界、材料學甚至整個技術體系跨越式進步。

這也是近10年來，歐美日等強國競相加大拓撲物態研究，力爭搶佔該領域制高點的原因。

中國在該領域的研究雖然起步較晚，但是發展非常快，迅速佔據了世界領先的位置。無論是在理論計算研究方面，還是在實驗研究方面，中國的科學家們都做出了重要貢獻，在一定程度上引領了該領域的國際進展。

清華大學的薛其坤研究團隊在2014年成功實現了一種叫做「拓撲絕緣體」的薄層物質。這種物質的內部是絕緣的，表面卻是超導的。並且，電子在它的表面只能單向運動，彷彿建立了一條快速的單行車道。這種奇怪的特性有可能幫助我們解決計算機晶元的散熱問題。

2017年7月31日，東南大學物理學院薛鵬教授團隊首次在開放系統中實驗實現宇稱-時間對稱的量子行走，並觀測到新型一維拓撲保護邊界態，為基於量子行走平台實現量子計算提供了新的依據。

根據拓撲物態領域的SCI論文統計數據，在論文的數量和質量(引用率)方面，中國在該領域的國際地位僅次於美國，位居世界第二。

由於拓撲物態天然具有抵抗局域退相干的能力，所以在實現量子信息任務中也具有潛在應用價值。拓撲物態在凝聚態和冷原子等系統中已有大量的實驗研究。

近年來，量子行走系統越來越多地被用於研究具有自旋-軌道耦合的物理系統的拓撲性質。通常的方法是基於體-邊界對應原理，通過對邊界態的研究反推物理系統的體拓撲性質。

量子行走示意圖，via：mpg.de

近日，由中國科技大學郭光燦院士帶領的研究團隊通過多年嘗試，成功建成了可以進行大規模量子行走的量子光學實驗系統。

團隊中李傳鋒、韓永建、許小冶等人不僅提出基於時間復用的新型量子行走方案，更通過巧妙設計，成功實現對光學量子行走系統末態波函數的完整重構，解決了直接觀測系統完全測定基態波函數的難點問題，直接讀取具有手征對稱的量子行走的體拓撲不變數。

李傳鋒、許小冶等人所設計的系統，基於時間復用的共線干涉框架，使用共線切割的雙折射晶體實現自旋-軌道耦合，避免了額外的光子損耗。這種新型的設計使得試驗整體系統非常穩定，特別適合實現基於光子的大規模量子行走。

實驗裝置圖，via：physical review journals

此次，研究團隊不僅首次在量子行走中對拓撲不變數進行了直接測量，更以0.945的高保真度演示了基於可預報單光子的50步的量子行走。

對此，《物理評論快報》審稿人高度評價該項工作：

「對量子行走中卷繞數的直接測量確實很新穎，也觸及這個快速發展的領域的核心 (a direct measurement of the winding number in a split step quantum walk is actually new and touches a quickly developing field)。該工作中用於實現大規模量子行走的實驗裝置是新穎的，相信可以在將來研究量子行走現象中發揮作用 (The photonic experimental setup used to realize large-scale quantum walks is novel and can be extended in the future to study other quantum-walk phenomena)。據我所知，在多步離散時間量子行走中重構出完整自旋波函數從未被實現 (To my best knowledge, a full reconstruction of the spinor wave function of a many-step discrete-time quantum walk has never been attempted before)。

此次試驗的成功，不僅為未來基於量子行走平台實現量子計算提供了新的依據，對於進一步研究拓撲物態提供了重要應用價值，更是我國科研人員不斷努力、創新，引領量子信息領域技術進步的體現。

資料來源 / Reference

Implementing the quantum random walk

B. C. Travaglione and G. J. Milburn

DOI：10.1103/PhysRevA.65.032310

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_walk

Observation of topological edge states in parity–time-symmetric quantum walks

L. Xiao, X. Zhan, Z. H. Bian, K. K. Wang, X. Zhang, X. P. Wang, J. Li, K. Mochizuki, D. Kim, N. Kawakami, W. Yi, H. Obuse, B. C. Sanders & P. Xue

DOI：10.1038/nphys4204

http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201806/t20180627_317981.html

Measuring the Winding Number in a Large-Scale Chiral Quantum Walk

Xiao-Ye Xu, Qin-Qin Wang, Wei-Wei Pan, Kai Sun, Jin-Shi Xu, Geng Chen, Jian-Shun Tang, Ming Gong, Yong-Jian Han, Chuan-Feng Li, and Guang-Can Guo