南京大学于扬、朱诗亮团队在超导量子比特中实现参数空间的新型磁单极

一块磁铁有南极和北极两个磁极,把磁铁从中间劈成两半,每一块都有各自的南极和北极。即使再进一步劈下去,再小的磁铁也会有南极和北极,不存在只有一个磁极的磁铁,这已经成为中学生的常识。但是,1931年,大物理学家保罗·狄拉克用优美的数学公式和深刻的物理洞察力,从理论上预言自然界中存在一种只带单一磁极的粒子,称为磁单极子。这是物理学中最迷人的预言之一,它可以解释为什么我们观测到的所有带电物质的电荷都是量子化的。自此,包括杨振宁等许多著名科学家对其进行了深入研究。磁单极已经发展为量子力学、凝聚态物理、高能物理等众多领域的重要基本概念,而寻找磁单极子也是近百年来物理学家梦寐以求的追求。虽然至今还未找到这种量子化磁荷的基本粒子,但是近年来科学家在某些凝聚态材料(例如外尔半金属)和人工量子系统发现了类似磁单极的准粒子或物理特性,从而可以在动量或参量空间中观察到狄拉克磁单极的物理性质。

狄拉克提出的磁单极存在于三维空间,被命名为狄拉克磁单极。除此之一,还有存在于五维空间中的磁单极,即著名的杨磁单极,这是由杨振宁先生提出的。一般认为,物理学中有两种类型的磁单极,狄拉克和杨磁单极属于同一类,他们都是由矢量规范势产生的单极子,其磁荷是量子化的,并由拓扑陈数刻画。理论上还存在四维空间中的一类独特磁单极,称为张量磁单极。张量磁单极由张量规范势产生,其磁荷由所谓的Dixmier-Douady 拓扑不变量刻画。张量磁单极在弦理论中有关键作用。矢量磁单极在凝聚态和人工量子体系中已有大量的实验报道,但张量磁单极的实验还从未被报道过。

要在人工量子系统中寻找张量磁单极,必须解决两个关键问题:一是如何构造高维参量空间中可控的系统哈密顿量;二是如何测量参量空间中量子态的度规张量,从而得到张量磁单极的拓扑荷。围绕这两个问题,于扬和朱诗亮研究组通过理论与实验紧密合作,在超导量利用超导四能级人工原子在四维参量空间中构造和实现了张量磁单极的等效哈密顿量。理论上,该体系的参数空间是一个三维超球面,超球面上的每一点对应于一个量子态,实验上通过微波可以很好调控,并制备在对应哈密顿量的基态上。其次,基于他们提出的测量量子度规的淬火方法,实验直接测量了量子态的度规张量,从而首次测量到张量磁单极的张量规范场及其拓扑荷,即Dixmier-Douady不变量。并且他们从理论和实验两方面证明了此拓扑不变量可以用来表征一类新型的拓扑相变,不同于传统的以陈数表征的拓扑相变。该工作在超导人工原子中实现了参数空间的张量单极子和Dixmier-Douady不变量的测量,这有助于磁单极物理、张量规范场和拓扑物理在人工量子系统中的进一步研究。

此研究成果以 “Experimental Observation of Tensor Monopoles with a Superconducting Qudit” 为题发表在2021年第一期《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 126, 017702 (2021)],并入选了封面文章和编辑推荐(Editor’s Suggestion)。南京大学的谭新生副教授和华南师范大学的张丹伟教授是该论文的共同第一作者;谭新生、张丹伟、朱诗亮和于扬教授为通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究项目等的资助。