近日，中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室杜江峰、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)驗上模擬了凝聚態(tài)體系中尚未觀(guān)測到的三維手性拓撲絕緣體，并對體內和表面的拓撲物理進(jìn)行了全面的實(shí)驗研究。該研究成果以"Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator"為題，發(fā)表在近期的《物理評論快報》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。

凝聚態(tài)體系中拓撲物相的發(fā)現革新了對量子物質(zhì)基本相認識，相關(guān)研究成為凝聚態(tài)物理的主流研究方向。拓撲材料的基本特性是在體內具有非平凡拓撲，邊界則出現和體拓撲相對應的邊界態(tài)。在過(guò)去的十多年里，人們在尋找新奇拓撲物質(zhì)方面取得了大量突破，發(fā)現了諸多新的拓撲相，如量子霍爾效應、對稱(chēng)保護的拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導體等。盡管如此，在理論預言的眾多拓撲相中，目前仍只有很小的一部分在凝聚態(tài)實(shí)驗中被觀(guān)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有力的手段。諸多拓撲物理在各種量子模擬器上成功實(shí)現，包括二維Haldane模型、自旋軌道耦合下的量子反?；魻栃钚∧Ｐ?、一維手性拓撲相和三維半金屬等。通常量子模擬器上只能模擬拓撲體態(tài)或者邊界態(tài)，但無(wú)法做到同時(shí)模擬體內和邊界，進(jìn)而準確研究體-邊對應。

最近北京大學(xué)劉雄軍教授組提出了平衡態(tài)拓撲物相的動(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（能帶反轉面）對應，類(lèi)同于拓撲相在實(shí)空間的體-邊對應，為基于量子模擬研究拓撲物性提供了理論基礎。隨后，中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗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撲體系上實(shí)驗觀(guān)測到了該動(dòng)力學(xué)體-邊對應關(guān)系[Phys. Rev. A 100, 052338 (2019)]。

在該研究中，他們進(jìn)一步將上述方法擴展到三維手性拓撲絕緣體這一尚未在凝聚態(tài)體系中觀(guān)測到的拓撲相中。在金剛石NV色心量子模擬器上，調控三維手性拓撲絕緣體在動(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)現拓撲物相的動(dòng)力學(xué)表征。實(shí)驗結果不僅進(jìn)一步支持了理論方法在向高維拓撲體系拓展的適用性，也觀(guān)察到了對稱(chēng)性對拓撲相的保護、拓撲荷圖像、以及衍生拓撲轉變等一系列物理現象，加深了動(dòng)力學(xué)拓撲物相研究的理解，為更廣泛的拓撲物相的研究打下了基礎。

實(shí)驗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，是當前發(fā)展較為成熟的量子調控實(shí)驗體系，在實(shí)現固態(tài)量子計算、量子模擬和量子精密測量等研究中具有很好的應用前景。中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室研究團隊一直致力于該體系的量子相干控制和應用研究，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)，該團隊深入發(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^*與熒光計數關(guān)鍵物理性能上達到國ji先進(jìn)水平。正是得益于自制樣品的*性能，以及團隊在固態(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)驗研究得以完成。未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步發(fā)展與提升金剛石單自旋樣品的性能、調控技術(shù)和單次讀出探測技術(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標準的量子計算體系。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)負電荷NV^-，量子計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)自旋能級可以用來(lái)編碼量子比特。結合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色心可以看成由數個(gè)量子比特組成的量子寄存器。不同的NV色心可以通過(guò)磁或光子的方式耦合，從而形成用以量子計算的可擴展系統。通過(guò)¹²C同位素富集，NV色心中量子比特可具有長(cháng)的相干時(shí)間?？梢酝ㄟ^(guò)施加激光實(shí)現對NV色心電子自旋的初始化和讀出，通過(guò)施加微波和射頻脈沖實(shí)現量子邏輯門(mén)。目前NV色心自旋體系的單比特量子邏輯門(mén)的保真度可達99.995 %，兩比特量子邏輯門(mén)的保真度可達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，氮原子以藍色表示，空位（V）以白色表示。NV電子旋轉由紅色箭頭指示。

國儀量子公司發(fā)布的量子鉆石單自旋譜儀也可用于量子模擬實(shí)驗研究。量子鉆石單自旋譜儀是一臺基于氮-空位（NV色心）的以自旋磁共振為原理的量子實(shí)驗平臺，通過(guò)控制光、電、磁等基本物理量，實(shí)現對鉆石中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(cháng)，量子操控能力強大，量子塌縮測量實(shí)驗結果直觀(guān)等*優(yōu)勢。

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