中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人與理論合作者北京大學劉雄軍等合作，在金剛石氮-空位（NV）色心體系的量子模擬實驗研究方面取得新進展。他們利用量子淬火動力學在實驗上模擬了凝聚態體系中尚未觀測到的三維手性拓撲絕緣體，并第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的實驗研究。該研究成果以Quantum simulation for Three-Dimensional Chiral Topological Insulator為題，發表在近期的《物理評論快報》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 020504 (2020)]。
       凝聚態體系中拓撲物相的發現革新了對量子物質基本相認識，相關研究成為凝聚態物理的主流研究方向。拓撲材料的基本特性是在體內具有非平凡拓撲，邊界則出現和體拓撲相對應的邊界態。在過去的十多年里，人們在尋找新奇拓撲物質方面取得了大量突破，發現了諸多新的拓撲相，如量子霍爾效應、對稱保護的拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導體等。盡管如此，在理論預言的眾多拓撲相中，目前仍只有很小的一部分在凝聚態實驗中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術，可以超越真實體系所受的限制，為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強有力的手段。諸多拓撲物理在各種量子模擬器上成功實現，包括二維Haldane模型、自旋軌道耦合下的量子反常霍爾效應最小模型、一維手性拓撲相和三維半金屬等。通常量子模擬器上只能模擬拓撲體態或者邊界態，但無法做到同時模擬體內和邊界，進而準確研究體-邊對應。
       最近北京大學劉雄軍教授組提出了平衡態拓撲物相的動力學表征理論 [Science Bull. 63, 1385 (2018)]，可以在動量空間得到普適的體-面（能帶反轉面）對應，類同于拓撲相在實空間的體-邊對應，為基于量子模擬研究拓撲物性提供了理論基礎。隨后，中科大杜江峰院士和王亞教授等利用金剛石氮-空位缺陷自旋體系首先在二維拓撲體系上實驗觀測到了該動力學體-邊對應關系[Phys. Rev. A 100, 052338 (2019)]。
       在本工作中，他們進一步將上述方法擴展到三維手性拓撲絕緣體這一尚未在凝聚態體系中觀測到的拓撲相中。他們在金剛石NV色心量子模擬器上，精確調控三維手性拓撲絕緣體在動量空間中的哈密頓量，利用量子態的動力學演化來表征哈密頓量，從而實現拓撲物相的動力學表征。實驗結果不僅進一步支持了理論方法在向高維拓撲體系拓展的適用性，也觀察到了對稱性對拓撲相的保護、拓撲荷圖像、以及衍生拓撲轉變等一系列物理現象，加深了動力學拓撲物相研究的理解，為更廣泛的拓撲物相的研究打下了基礎。

       實驗中使用的金剛石固態單自旋體系因其在室溫下就易于初始化、操控和讀出，是當前發展較為成熟的量子調控實驗體系，在實現固態量子計算、量子模擬和量子精密測量等研究中具有很好的應用前景。中國科學院微觀磁共振重點實驗室一直致力于該體系的量子相干控制和應用研究，僅在量子模擬方向上就發表了多篇高水平研究論文[如Phys. Rev. Lett. 117, 060503 (2016), Phys. Rev. Lett. 120, 120501 (2018)等]。近年來，該團隊深入發展金剛石色心樣品制備等底層關鍵技術，已掌握高純金剛石樣品的制備工藝，自主制備的NV色心在相干時間T2*與熒光計數關鍵物理性能上達到國際先進水平。正是得益于自制樣品的優越性能，以及該團隊在固態自旋量子態精確操控上的領先技術，才使得本次量子模擬實驗研究得以完成。未來通過進一步發展與提升金剛石單自旋樣品的性能、調控技術和單次讀出探測技術等，有望推進金剛石單自旋體系在量子信息領域產生更廣泛的應用。
       中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生季文韜和北京大學博士研究生張林為共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)