中国在超冷原子量子模拟领域获突破

10月4日,2016年诺贝尔物理学奖花落拓扑相变。一周之后,中科院宣布,我国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破,将推动新奇拓扑量子物态的研究。中国在基础科学领域追赶世界先进水平的脚步正在加快……

中国科学院10月11日宣布,我国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破。中国科学技术大学和北京大学联合团队在国际上首次理论提出并实验实现超冷原子二维自旋轨道耦合的人工合成,测定了由自旋轨道耦合导致的新奇拓扑量子物性。研究成果发表在最新一期国际权威期刊《科学》上。

有超越传统凝聚态物理研究的潜力

论文第一通讯作者、中科大潘建伟院士表示,这一关键突破将推动拓扑超流、拓扑超导等新奇拓扑量子物态的研究,进而给人们对物质世界的深入理解带来重大影响。《科学》杂志评论认为,该工作“对研究超越传统凝聚态物理的奇异现象具有重大潜力”。

论文通讯作者之一、北京大学教授刘雄军介绍,自旋轨道耦合是指粒子自旋和轨道运动之间的相互作用,它在自旋电子学、拓扑绝缘体、拓扑超导体等凝聚态物理最前沿研究中扮演关键角色。但现实固体材料存在难以控制的复杂环境,难以进行新奇物态的研究,因此科学家们想到在可控的人造量子系统中模拟自旋轨道耦合。

“超冷原子是指原子处于接近绝对零度,在超冷原子中实现人工自旋轨道耦合被国际上认为是最有可能实现新奇物态研究突破的方法之一,国外相关研究多次获得诺贝尔奖。”潘建伟说,“过去五年里,在超冷原子中实现一维人工自旋轨道耦合在实验上实现,取得了一系列成果。但要探索更加广泛深刻的新型拓扑量子物态,必须获得二维以上的自旋轨道耦合,这极具挑战性,国际上多个团队均在为此努力。”

向“量子计算机超越超级计算机”目标迈进

为此,刘雄军理论小组提出了拉曼光晶格量子系统,克服了国际上其他方案的缺点。基于该系统,不仅可完好地实现二维人工自旋轨道耦合,并能得到如量子反常霍尔效应和拓扑超流等深刻的基本物理效应。

基于这一理论方案,潘建伟、陈帅、邓友金等组成的实验小组在经过多年艰苦努力发展起来的超精密激光和磁场调控技术的基础上,成功地构造了拉曼光晶格量子系统,合成二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体。

潘建伟表示,这项工作显示我国在超冷原子量子模拟相关研究方向上已走在国际最前列。基于此工作可研究全新的拓扑物理,包括固体系统中难以观察到的玻色子拓扑效应等,从而为相关研究开辟一条新道路。

“此前科学家们认为,通过10到15年的努力,人类可以实现80到100个量子比特的相干操纵,实现量子计算机的速度超越目前最快的超级计算机。现在我可以说,这一研究使我们在此方向上迈出了坚实的一步。”潘建伟说。(记者 吴晶晶)