段路明研究組實現二維外爾方程的量子模擬

2022年05月25日 瀏覽次數: 0

      近日，清華大學交叉信息研究院段路明研究組在離子阱量子模擬領域取得重要進展，利用單個囚禁離子成功實現了磁場中的二維外爾粒子的量子模擬。該成果的研究論文《磁場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）于近日刊發于國際學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

    相對論量子力學結合了現代物理學中兩個最重要的理論：狹義相對論和量子力學。外爾方程則是最簡單的相對論量子力學方程之一，描述了自旋為1/2的零質量粒子——外爾費米子。作為相對論量子力學理論所允許的幾種基本粒子之一，外爾費米子尚未在實驗中被發現：它曾被認為可用于描述中微子，但現在已知中微子具有微小的質量，并非零質量粒子。因此，目前要從實驗上研究外爾費米子的性質，只能通過量子模擬的手段。此前的實驗在光子晶體和凝聚態系統中對外爾費米子的能譜和輸運性質等進行了測量，但無法對其動力學進行直接研究。另一方面，在離子阱系統中對有質量的狄拉克粒子的動力學進行過量子模擬，但只限于一維空間，而無法研究自旋動力學和對磁場的響應等性質。

實驗原理圖

    在此項工作中，研究人員通過激光操控囚禁離子的內態和兩個不同空間方向的聲子模式，成功實現了磁場中二維外爾方程的量子模擬。通過制備不同的初態以及對不同自旋觀測量的測量，研究人員成功驗證了二維外爾粒子的線性色散關系、磁場中分立的朗道能級、螺旋性守恒等性質。通過引入額外的空間和自旋自由度，此項工作拓展了量子模擬在粒子物理領域的應用。

線性色散關系與磁場中的分立能級

動力學演化測量

    該論文的共同第一作者為交叉信息院2017級博士生姜越、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愷，通訊作者為段路明教授。其他作者包括交叉信息院2017級博士生梅全鑫、交叉信息院2017級博士生趙文定、實驗員常秀英、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自主科研計劃、北京量子信息科學研究院、教育部量子信息前沿科學中心、清華大學科研啟動基金的資助與支持。

 

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.200502