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《中国科学报》:复旦大学与中科大
首次脱离严格可解模型识别拓扑序

作者:黄辛来源:《中国科学报》 2017年10月18日 发布时间:2017-10-18

10月17日凌晨,复旦大学物理学系孔令欣团队和万义顿团队与中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、彭新华团队合作的新成果以研究长文的形式在线发表于《自然—物理》。该研究利用自主创新研发的随机绝热法,首次实现利用量子模拟识别二维系统中的Z2拓扑序,为未来研究量子物质和实现量子计算打下了重要基础。

自20世纪80年代在分数量子霍尔系统中首次观测到拓扑序后,物质相的现代概念经历了巨大的发展。近几十年来,凝聚态物理的最前沿都被这类新的具有拓扑序的物质态的研究所主导。这个领域的研究不仅仅对新一代电子元件和超导体十分重要,而且还在未来容错拓扑量子计算方面有着潜在的应用前景。

自拓扑序的概念提出后,凝聚态物理中对不同相进行区分的这一基本重要问题又面临了一个全新的研究对象。这类新的拓扑序超出了传统的郎道对称破缺理论描述的范畴,对此大量的理论研究工作不断涌现,例如利用基态简并度、拓扑纠缠熵以及简并基态的非阿贝尔几何相(准粒子统计和拓扑自旋性质)等。理论研究表明非阿贝尔几何相表现在模群中的S、T矩阵可以唯一识别二维系统中无手性玻色性拓扑序。然而,拓扑序的实验实现和其拓扑性质的实验探测一直以来面临着巨大的挑战。

研究人员利用量子模拟的方法设计并实验演示了在不需要基态解析解的先验知识——即只有系统哈密顿量形式也能直接测量和重构出具有拓扑特征的S、T矩阵,识别出拓扑相并获得其拓扑指纹。同时,研究人员在被研究体系哈密顿量中引入偏离精确可解模型的失谐项和破坏所有意外对称性的无序项,实验模拟了一类具有非零关联长度的不可解自旋模型,进一步成功地利用模矩阵的突变实验验证了这类拓扑序存在的鲁棒性以及相空间中的相变点。

该实验利用随机绝热法制备线性独立的基态组,制备中仅仅需要被研究体系哈密顿量的近似点群对称性的信息,克服了先前量子模拟实验中需要直接制备按照可解模型求得的基态的困难。

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