華南師大量子計算領(lǐng)域重要進展：首次實現(xiàn)和觀測到四維參量空間中的張量磁單極

1月15日消息（余予）​磁鐵有南極和北極兩個磁極，不存在只有一個磁極的磁鐵，這已經(jīng)成為中學(xué)生的常識。但是，1931年，大物理學(xué)家保羅·狄拉克用優(yōu)美的數(shù)學(xué)公式和深刻的物理洞察力，從理論上預(yù)言自然界中存在一種只帶單一磁極的粒子，稱為狄拉克磁單極，它和楊（振寧）磁單極同屬于矢量磁單極，這類磁單極在凝聚態(tài)和人工量子體系中已有許多實驗實現(xiàn)。

據(jù)了解，狄拉克提出的磁單極存在于三維空間，楊振寧先生提出的楊磁單極存在于五維空間。他們同屬一類磁單極，皆為矢量規(guī)范勢產(chǎn)生的單極子，磁荷是量子化的，并由拓?fù)潢悢?shù)刻畫。而張量磁單極，是一種存在四維空間的獨特磁單極，其獨特之處在于其由張量規(guī)范勢產(chǎn)生，磁荷由所謂的Dixmier-Douady 拓?fù)洳蛔兞靠坍?。同時，張量磁單極在弦理論中具有關(guān)鍵作用。

近日，華南師大粵港量子物質(zhì)聯(lián)合實驗室在量子計算領(lǐng)域取得了重要進展，這一重要進展與張量磁單極相關(guān)：朱詩亮教授課題組與南京大學(xué)合作，利用超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)首次實現(xiàn)和觀測到四維參量空間中的張量磁單極。

據(jù)悉，在人工量子系統(tǒng)中尋找張量磁單極，面臨兩個關(guān)鍵問題：

一是如何構(gòu)造高維參量空間中可控的系統(tǒng)哈密頓量；

二是如何測量參量空間中量子態(tài)的度規(guī)張量，從而得到張量磁單極的拓?fù)浜伞?/p>

圍繞這兩個問題，研究團隊近年來通過理論與實驗緊密合作，在超導(dǎo)量子比特系統(tǒng)中實現(xiàn)了參量可控三能級哈密頓量及其拓?fù)浣饘倌M，以及直接測量了量子度規(guī)張量。

基于此前的研究，研究團隊利用超導(dǎo)四能級人工原子在四維參量空間中構(gòu)造和實現(xiàn)了張量磁單極的等效哈密頓量，從而在超導(dǎo)人工原子中實現(xiàn)了參數(shù)空間的張量單極子和Dixmier-Douady不變量的測量。

三維空間中的狄拉克磁單極和四維空間的張量磁單極示意圖

實驗測量和理論模擬的張量磁單極拓?fù)浜杉捌渫負(fù)湎嘧?/em>

該成果于1月8日在《Physical Review Letters》上發(fā)表，這一成果的實現(xiàn)有助于磁單極物理、張量規(guī)范場和拓?fù)湮锢碓谌斯ち孔酉到y(tǒng)中的進一步研究。

除此之外，幾乎同時，麻省理工學(xué)院-布魯塞爾自由大學(xué)合作組也在金剛石色心中觀測到了四維參量空間中的張量磁單極。

上述系列工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳等項目的資助。

論文鏈接：http://intimacywithspirit.com/uploadfile/2021/0115/20210115171013451G.017702