清華新聞網(wǎng)5月25日電 近日，清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用單個(gè)囚禁離子成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)中的二維外爾粒子的量子模擬。
相對(duì)論量子力學(xué)結(jié)合了現(xiàn)代物理學(xué)中兩個(gè)最重要的理論：狹義相對(duì)論和量子力學(xué)。外爾方程則是最簡(jiǎn)單的相對(duì)論量子力學(xué)方程之一，描述了自旋為1/2的零質(zhì)量粒子——外爾費(fèi)米子。作為相對(duì)論量子力學(xué)理論所允許的幾種基本粒子之一，外爾費(fèi)米子尚未在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)：它曾被認(rèn)為可用于描述中微子，但現(xiàn)在已知中微子具有微小的質(zhì)量，并非零質(zhì)量粒子。因此，目前要從實(shí)驗(yàn)上研究外爾費(fèi)米子的性質(zhì)，只能通過(guò)量子模擬的手段。此前的實(shí)驗(yàn)在光子晶體和凝聚態(tài)系統(tǒng)中對(duì)外爾費(fèi)米子的能譜和輸運(yùn)性質(zhì)等進(jìn)行了測(cè)量，但無(wú)法對(duì)其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行直接研究。另一方面，在離子阱系統(tǒng)中對(duì)有質(zhì)量的狄拉克粒子的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行過(guò)量子模擬，但只限于一維空間，而無(wú)法研究自旋動(dòng)力學(xué)和對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)等性質(zhì)。
實(shí)驗(yàn)原理圖
在此項(xiàng)工作中，研究人員通過(guò)激光操控囚禁離子的內(nèi)態(tài)和兩個(gè)不同空間方向的聲子模式，成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)中二維外爾方程的量子模擬。通過(guò)制備不同的初態(tài)以及對(duì)不同自旋觀(guān)測(cè)量的測(cè)量，研究人員成功驗(yàn)證了二維外爾粒子的線(xiàn)性色散關(guān)系、磁場(chǎng)中分立的朗道能級(jí)、螺旋性守恒等性質(zhì)。通過(guò)引入額外的空間和自旋自由度，此項(xiàng)工作拓展了量子模擬在粒子物理領(lǐng)域的應(yīng)用。
線(xiàn)性色散關(guān)系與磁場(chǎng)中的分立能級(jí)
動(dòng)力學(xué)演化測(cè)量
上述成果的研究論文“磁場(chǎng)中的二維外爾方程的量子模擬”（Quantum Simulation of the Two-Dimensional Weyl Equation in a Magnetic Field）于近日刊發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
該論文的共同第一作者為交叉信息院2017級(jí)博士生姜越、華翊博奧量子科技有限公司的研究員蔡明磊和交叉信息院助理教授吳宇?lèi)?，通訊作者為段路明教授。其他作者包括交叉信息?017級(jí)博士生梅全鑫、交叉信息院2017級(jí)博士生趙文定、實(shí)驗(yàn)員常秀英、副研究員何麗、副研究員周子超以及華翊博奧量子科技有限公司研究員姚麟。該工作得到了清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、北京量子信息科學(xué)研究院、教育部量子信息前沿科學(xué)中心、清華大學(xué)科研啟動(dòng)基金的資助與支持。
供稿：交叉信息研究院
編輯：李華山
審核：劉蔚如
