利用核自旋系统进行拓扑相量子模拟的实验研究

Topological phase has become one of the most popular research fields in condensed matter physics. The research in this field is not only important for the new generation of electronic components and superconductors, but also has potential for future applications in natural fault-tolerant quantum computing. Topological phase, defined by robust ground state degeneracy and quantized non-Abelian geometric phase of degenerate ground states, is a kind of exotic states of matter that is beyond Landau symmetry-breaking theory. It is difficult to observe and explore the properties of topological phases in real systems, due to the current harsh experimental conditions and controlled experimental methods. However, quantum simulation, where a controlled quantum system is used to investigate otherwise complicated or inaccessible physical phenomena, provides a powerful tool to study topological phase. As one of the important physical platforms of quantum simulation, nuclear magnetic resonance system with long decoherence time and mature multi-qubit control technology will be a good test platform for our study. This project is aimed to experimentally demonstrating the nature of topological phase such as topological degeneracy, non-abelian statistics and edge spin quantum coherence, based on nuclear magnetic resonance systems. These studies will make it possible to further implement more complex tasks of quantum simulation.

拓扑相已成为当今凝聚态物理最热门的研究领域之一。这个领域的研究不仅对新一代电子元件和超导体十分重要，而且在未来天然容错量子计算方面也有着潜在的应用前景。由定义可知，拓扑相具有不受微扰影响的基态拓扑简并和量化的非阿贝尔几何相，是一类不能由经典朗道对称破缺理论描述的奇特物质态。受限于当前苛刻的实验条件和可控的实验手段，在真实体系中观测和探索拓扑相的性质是一件困难的事情。然而，量子模拟用一个可控的量子系统模拟复杂的或难以观测的物理现象，为我们研究拓扑相提供了有力手段。作为量子模拟重要的物理实现平台之一，核磁共振系统具有较长的退相干时间和成熟的多量子比特控制技术，将是一个很好的测试平台。本项目旨在通过核磁共振系统对拓扑相的性质如拓扑简并，非阿贝尔统计和边缘自旋相干性进行演示性实验研究。这为进一步实现复杂量子模拟任务提供可能。

量子模拟用一个可控的量子系统模拟另外一种复杂的系统，为我们探索奇特的物理现象例如拓扑物质相、非费米液体、量子伪随机性等提供了有力的实验手段。拓扑物质相、非费米液体是当前凝聚态研究热点之一，而量子伪随机性不仅在多体物理，在量子信息也有着重要的应用。.项目主要基于核自旋体系，完成了如下研究内容：（1）通过绝热演化实验制备四重简并拓扑有序态，并利用量子态重构技术实现其纠缠性质度量，这为探索拓扑序的性质和拓扑量子存储应用铺平了道路；（2）通过实现SYK模型的量子模拟，实验观察了非费米液体态的费米子对不稳定性，以及模拟不同温度下混沌到非混沌相跃迁模型中的非费米液体态，这为研究非费米液体态的关键特征开辟了一条新的途径，也为进一步应用于研究量子态混沌系统和AdS/CFT对偶性提供可能；（3）利用12个自旋系统，通过观察多量子相干分布，实现量子伪随机数的生成和检测，这可能为实验探索量子随机性应用于大规模量子处理器打开通道；（4）开展核磁共振陀螺仪实验平台搭建，基于存在惰性气体(氙-129和氙-131)的铷原子双轴参数调制，系统研究了超越窄线宽限制的参数调制过程，完成调制磁场的频率、振幅、相位等控制参数的优化，这为全面改进核磁共振陀螺仪性能提供了一种的方法。.在项目执行期间，共发表SCI论文4篇，其中包括NPJ Quantum Information 1篇、Sci. China-Phys. Mech. Astron. 1篇、Phys. Rev. Lett. 1篇、Japanese Journal of Applied Physics 1篇，培养博士生2名、硕士生1名，基本完成了项目目标。