我國科學家在超冷原子量子模擬領域取得重大突破

新華社北京１０月１１日電（記者吳晶晶）中國科學院１１日宣佈，我國科學家在超冷原子量子模擬領域取得重大突破。中國科學技術大學和北京大學聯合團隊在國際上首次理論提出並實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。研究成果發表在最新一期國際權威期刊《科學》上。

論文第一通訊作者、中科大潘建偉院士表示，這一關鍵突破將推動拓撲超流、拓撲超導等新奇拓撲量子物態的研究，進而給人們對物質世界的深入理解帶來重大影響。《科學》雜誌評論認為，該工作“對研究超越傳統凝聚態物理的奇異現象具有重大潛力”。

論文通訊作者之一、北京大學教授劉雄軍介紹，自旋軌道耦合是指粒子自旋和軌道運動之間的相互作用，它在自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等凝聚態物理最前沿研究中扮演關鍵角色。但現實固體材料存在難以控制的複雜環境，難以進行新奇物態的研究，因此科學家們想到在可控的人造量子系統中模擬自旋軌道耦合。

“超冷原子是指原子處於接近絕對零度，在超冷原子中實現人工自旋軌道耦合被國際上認為是最有可能實現新奇物態研究突破的方法之一，國外相關研究多次獲得諾貝爾獎。”潘建偉説，“過去五年裏，在超冷原子中實現一維人工自旋軌道耦合在實驗上實現，取得了一系列成果。但要探索更加廣泛深刻的新型拓撲量子物態，必須獲得二維以上的自旋軌道耦合，這極具挑戰性，國際上多個團隊均在為此努力。”

為此，劉雄軍理論小組提出了拉曼光晶格量子系統，克服了國際上其他方案的缺點。基於該系統，不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，並能得到如量子反常霍爾效應和拓撲超流等深刻的基本物理效應。

基於這一理論方案，潘建偉、陳帥、鄧友金等組成的實驗小組在經過多年艱苦努力發展起來的超精密激光和磁場調控技術的基礎上，成功地構造了拉曼光晶格量子系統，合成二維自旋軌道耦合的玻色－愛因斯坦凝聚體。

潘建偉表示，這項工作顯示我國在超冷原子量子模擬相關研究方向上已走在國際最前列。基於此工作可研究全新的拓撲物理，包括固體系統中難以觀察到的玻色子拓撲效應等，從而為相關研究開闢一條新道路。

“此前科學家們認為，通過１０到１５年的努力，人類可以實現８０到１００個量子比特的相干操縱，實現量子計算機的速度超越目前最快的超級計算機。現在我可以説，這一研究使我們在此方向上邁出了堅實的一步。”潘建偉説。