科學(xué)家發(fā)明新方法，可識(shí)別各種拓?fù)洳蛔兞康牧孔討B(tài)

（文章來源：博科園）

拓?fù)洳牧弦鹆丝茖W(xué)家們的極大興趣，并可能為材料發(fā)展的新紀(jì)元提供基礎(chǔ)。在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究，安德烈亞斯·艾爾本、余金龍、彼得·佐勒和伯努瓦·弗默施等物理學(xué)家提出了一種新的測(cè)量方法，可以識(shí)別和表征各種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的所謂拓?fù)洳蛔兞?。今天，現(xiàn)代量子模擬器為制備和研究復(fù)雜量子態(tài)提供了廣泛的可能性：

它們是用光學(xué)晶格中的超冷原子、里德堡態(tài)原子、囚禁離子或超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)的。一類特別吸引人的量子態(tài)是物質(zhì)的拓?fù)鋺B(tài)。大衛(wèi)·索利斯(David Thouless)、鄧肯·霍爾丹(Duncan Haldane)和邁克爾·科斯特利茨(Michael Kosterlitz)因其理論發(fā)現(xiàn)而獲得2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這些物質(zhì)的狀態(tài)以非局域量子關(guān)聯(lián)為特征，對(duì)實(shí)驗(yàn)中不可避免地發(fā)生的局域扭曲特別穩(wěn)定。

因斯布魯克大學(xué)量子物理中心和奧地利科學(xué)院量子光學(xué)和量子信息研究所的伯努瓦·韋默施、于金龍和安德烈亞斯·埃爾本說：在實(shí)驗(yàn)中識(shí)別和表征這些拓?fù)湎嗍且粋€(gè)巨大挑戰(zhàn)。由于拓?fù)湎嗟奶厥庑再|(zhì)，無法通過局部測(cè)量來識(shí)別它們。因此，研究正在開發(fā)新的測(cè)量協(xié)議，使實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家能夠在實(shí)驗(yàn)室中表征這些狀態(tài)。近年來，非交互系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。然而，對(duì)于未來也可能被用作拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的交互系統(tǒng)來說，這到目前為止還不可能。

彼得·佐勒研究小組的物理學(xué)家現(xiàn)在提出了測(cè)量協(xié)議，使所謂的拓?fù)洳蛔兞繙y(cè)量成為可能。這些數(shù)學(xué)表達(dá)式描述了拓?fù)淇臻g的共同性質(zhì)，使得在一維玻色系統(tǒng)中完全識(shí)別具有全局對(duì)稱性的相互作用拓?fù)鋺B(tài)成為可能。研究的想法是首先在量子模擬器中準(zhǔn)備這樣的拓?fù)鋺B(tài)，現(xiàn)在進(jìn)行所謂的隨機(jī)測(cè)量，并從這些隨機(jī)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性中提取拓?fù)洳蛔兞俊?/p>

該方法的特點(diǎn)是：雖然拓?fù)洳蛔兞渴歉叨葟?fù)雜的非局部相關(guān)函數(shù)，但它們?nèi)匀豢梢詮暮?jiǎn)單局部隨機(jī)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性中提取出來。就像研究小組提出在計(jì)算機(jī)或模擬器中比較量子態(tài)的方法一樣，這種隨機(jī)測(cè)量在今天的實(shí)驗(yàn)中是可能的。因此，測(cè)量拓?fù)洳蛔兞康膮f(xié)議，可以直接應(yīng)用于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。多體拓?fù)洳蛔兞孔鳛槎囿w波函數(shù)的量子化高度非局域相關(guān)器，是多體拓?fù)淞孔酉嗬碚撁枋龅暮诵?，包括?duì)稱性保護(hù)和對(duì)稱性豐富的拓?fù)湎唷?/p>

在這里，研究提出并分析了一個(gè)通用的測(cè)量協(xié)議，以揭示具有全局對(duì)稱性的相位多體拓?fù)洳蛔兞浚梢栽诤铣闪孔酉到y(tǒng)(如里德堡原子、囚禁離子和超導(dǎo)電路)的最新實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。該協(xié)議基于從隨機(jī)化測(cè)量的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性中提取多體拓?fù)洳蛔兞?，通過局部隨機(jī)么正運(yùn)算和站點(diǎn)分辨投影測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。并在一維玻色對(duì)稱保護(hù)拓?fù)湎嗟耐耆诸惐尘跋?，特別考慮到擴(kuò)展的SU-Schrieffer-Heeger自旋模型，說明了這一技術(shù)及其應(yīng)用。
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