科学家首次脱离严格可解模型识别拓扑序

上海10月17日电(记者黄鑫)复旦大学物理系的孔令鑫团队与万宜敦团队、中国科学院中国科学技术大学微磁共振重点实验室的杜江峰团队、彭新华团队合作的最新成果，以长篇研究论文的形式，在国际权威学术期刊《自然物理学》在线发表。本研究首次采用自主创新的随机绝热方法，通过量子模拟识别二维系统中的Z2拓扑序，为量子物质和量子计算的未来研究奠定了重要基础。

本文的第一作者是罗，中国科学技术大学微磁共振重点实验室博士生，通讯作者是孔令鑫、万宜敦、彭新华。该研究得到了国家自然科学基金、科技部、教育部、上海市科委和中国科学院的支持。

自从20世纪80年代在分数量子霍尔系统中首次观察到拓扑序以来，现代物质相的概念经历了巨大的发展。近几十年来，凝聚态物理的前沿被这种新的拓扑有序物质状态的研究所占据。这一领域的研究不仅对新一代电子元件和超导体非常重要，而且在未来容错拓扑量子计算中具有潜在的应用前景。

自拓扑序概念提出以来，凝聚态物理中区分不同相的基本重要问题面临着一个新的研究对象。这种新的拓扑序超出了传统朗道对称性破缺理论描述的范围。大量的理论研究工作不断涌现，如利用基态的简并性、拓扑纠缠熵和简并基态的非阿贝尔几何相位(准粒子统计和拓扑自旋性质)。理论研究表明，模群中具有非阿贝尔几何相位的S和T矩阵可以唯一地识别二维系统中没有手征玻色的拓扑序。然而，拓扑序的实验实现及其拓扑性质的实验检测一直面临着巨大的挑战。

研究人员利用量子模拟设计和实验证明，具有拓扑特征的S和T矩阵可以直接测量和重构，而无需事先知道基态的解析解，即只有系统的哈密顿形式，并且可以识别拓扑相位和获得它们的拓扑指纹。同时，研究人员将偏离精确可解模型的失谐项和破坏所有意外对称性的无序项引入到研究系统的哈密顿量中，并实验模拟了一类具有非零相关长度的不可解自旋模型。此外，通过模式矩阵的突变实验，成功验证了相空间中这种拓扑顺序和相变点的鲁棒性。此外，实验结合并改进了实验组开发的新技术，采用随机绝热方法制备线性独立基态组。在制备过程中，只需要待研究系统哈密顿量的近似点群对称性信息，克服了以往量子模拟实验中根据可解模型直接制备基态的困难。

根据万一敦的说法，这个课题的想法可以追溯到三年前。当时，研究小组在一个严格可解的模型中获得了初步结果。之后，团队将注意力转移到可解模型上，并进行了新的理论研究。最后，发现已经探索的方法适用于非严格可解模型的更一般的情况。因此，该团队重新设计并实施了整个实验，投入了大量精力。

当谈到理论和实验的关系时，孔令心感触很深。然而，实验数据的初步处理并没有得到理想的结果。经过沟通和讨论，双方通过实际操作的反馈，不断改进和优化方法，最终在实验室成功实现了模块矩阵的重构。

孔令欣说，这样一个参与整个实验过程的机会尤其难得。“做理论研究往往是‘理论性的’,而真正的实验性认识表明，最初的情况往往非常复杂。对于理论研究者来说，他们应该多与实验人员交流，保持开放的心态，培养多样的兴趣，并不断尝试。