近日，中國科學技術(shù)大學教授、中國科學院院士杜江峰領(lǐng)銜的實驗課題組和耶魯大學理論合作者蔣良，利用金剛石中自旋作為量子模擬器，在國際上首次直接測量了拓撲數(shù)。研究成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表在8月4日的《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016)]。 　　拓撲數(shù)可以用來表征一種特殊的相變——拓撲相變，這種相變無法用朗道對稱性破缺理論解釋。自量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，許多拓撲相被理論預(yù)測和實驗驗證，然而在實驗上直接測量拓撲數(shù)仍然是一項挑戰(zhàn)。目前拓撲體系大多在實驗上很難制備，一種可行的研究手段是用另一種可控的量子系統(tǒng)模擬它。如果量子模擬器的哈密頓量被調(diào)控到和拓撲體系完全一致，那么拓撲體系的全部信息都可以被量子模擬器提取。
　　之前已有研究人員利用超導(dǎo)量子線路模擬拓撲系統(tǒng)并成功測量陳數(shù)，但是他們的測量需要對一個連續(xù)空間積分，由于實驗條件的限制只能探測有限多的物理量，因而這種測量方式往往誤差很大，無法給出離散的拓撲數(shù)。而杜江峰課題組與合作者采用金剛石中氮-空位點缺陷這一量子體系，通過精心設(shè)計的微波和射頻脈沖，完全重構(gòu)了不同相空間中拓撲體系的哈密頓量，精確地測量到了離散的拓撲數(shù)，并觀察到了清晰的拓撲相變。
　　這一實驗結(jié)果為基于金剛石體系量子模擬器的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過耦合多個氮-空位點缺陷可以構(gòu)建可擴展量子模擬器，通過精確調(diào)控各個自旋可以模擬更為復(fù)雜的拓撲體系，當然也可以用來研究其他有趣的量子系統(tǒng)。相比于建造通用量子計算機，量子模擬器有望率先進入實用階段。對于一些復(fù)雜的材料體系，實驗制備存在技術(shù)挑戰(zhàn)，經(jīng)典計算機又無能為力，這時利用量子模擬器研究便具有十分重要的現(xiàn)實意義。
　　另外，杜江峰領(lǐng)銜的研究團隊利用相似的自旋量子調(diào)控技術(shù)在國際上首次實驗檢驗了一類基于統(tǒng)計距離的測量型海森堡不確定關(guān)系。研究成果也發(fā)表在《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett. 116, 160405 (2016)]?？萍夹侣劸W(wǎng)站Phys.org進行了報道，稱“該工作提供了對海森堡不確定原理原始思想的更深理解，并具有潛在的實際應(yīng)用”。
　　上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和教育部的支持。