清华新闻网10月22日电 近日，清华大学交叉信息研究院段路明课题组在离子阱量子模拟领域取得重要进展，首次在实验上观测到拓扑缺陷的量子叠加。拓扑缺陷作为一个基本的数学概念，在磁学、高温超导、大统一理论、宇宙学等物理领域具有广泛的应用。此前的实验研究通常只关注拓扑缺陷的密度等经典性质，虽然有理论工作预言了拓扑缺陷的量子叠加态，并将其应用于理解量子相变的动力学过程，但该现象的实验观测受到整个量子系统的退相干和量子态制备与测量误差的限制而难以实现。
图1.自旋扭结随时间演化产生不同空间位置量子叠加态的示意图
该工作中，研究人员通过对各个离子量子比特的单独寻址操控，在20个离子的一维离子链上制备了单个自旋扭结的初态。研究人员进而利用长程相互作用的横场伊辛模型实现平缓的自旋扭结有效势场，观察到自旋扭结在动力学演化过程中由于量子干涉效应分裂成位于不同位置的叠加态。
为了明确验证拓扑缺陷叠加态的量子相干性，研究人员进一步利用21离子制备了自旋扭结在相邻位置的量子叠加态。通过控制该叠加态的相对相位，研究人员观察到自旋扭结选择性地向不同方向传播，从而排除了经典概率的传播方式，验证了叠加态的量子相干性。
图2.实验观测自旋扭结传播方向对初始叠加态相位的依赖关系
10月18日，相关研究成果以“捕获离子量子模拟器中拓扑缺陷的量子叠加观察”（Observation of quantum superposition of topological defects in a trapped ion quantum simulator）为题，发表于《科学·进展》（Science Advances）。
清华大学交叉信息研究院2019级博士生程志杰和助理教授吴宇恺为论文共同第一作者，交叉信息研究院段路明院士为论文通讯作者。其他作者包括交叉信息研究院2021级博士生李世蛟、华翊量子公司梅全鑫博士和李博文博士、交叉信息研究院2019级博士生王港曦、博士后姜越、助理研究员祁宾祥、副研究员周子超、助理教授侯攀宇。研究得到科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目、清华大学自主科研计划、教育部、新基石研究员项目、清华笃实专项和清华大学启动经费的资助和支持。
