北理工在量子行走和拓?fù)鋺B(tài)研究方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2018-09-07 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：蘇文勇 閱讀次數(shù)：近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組（博士研究生王波、青年教師陳天副教授和張向東教授）構(gòu)建出了能夠適用于觀察拓?fù)浣缑鎽B(tài)的二維量子行走平臺,。在這個(gè)平臺上首次實(shí)驗(yàn)上觀測到陳數(shù)為零的拓?fù)浔Ｗo(hù)束縛態(tài)。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《物理評論快報(bào)》【Phys. Rev. Lett. 121, 100501 (2018)】上,，該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金委的資助,。博士生王波主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)方面的內(nèi)容，陳天副教授負(fù)責(zé)理論部分,，他們?yōu)楣餐谝蛔髡?，張向東教授和陳天副教授為共同通訊作者。
盡管拓?fù)浔Ｗo(hù)束縛態(tài)的存在等一系列的拓?fù)洮F(xiàn)象首先在電子系統(tǒng)中被預(yù)言,，越來越多的研究表明光學(xué)系統(tǒng)可以提供一個(gè)用于觀察拓?fù)洮F(xiàn)象的平臺,。而基于光學(xué)系統(tǒng)所搭建的量子行走平臺表明，量子行走可以作為一種有效的量子模擬工具被用來研究受時(shí)間驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)湎?。然而,，現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)研究僅局限于了一維量子行走。對于二維及更高維度的量子行走方案,，由于缺乏對于量子行走中位置空間的有效操控,，在量子行走系統(tǒng)中無法同時(shí)構(gòu)造出表征有不同拓?fù)湎嗟膮^(qū)域，因此對于存在于二維及更高維度的量子行走中的拓?fù)湎嚓P(guān)現(xiàn)象還沒有被實(shí)驗(yàn)觀測到,。
最近,，我們第一次搭建出能夠適用于觀察拓?fù)浣缑鎽B(tài)的二維量子行走系統(tǒng)。我們使用光的軌道角動(dòng)量和空間位置兩個(gè)自由度來映射出量子行走系統(tǒng)的二維位置空間,。我們利用定制的具有多個(gè)圖案的q-plate和雙折射晶體,，可以分別實(shí)現(xiàn)在光的軌道角動(dòng)量和空間位置上有條件平移操作；配合半波片實(shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)操作,，我們在實(shí)驗(yàn)上就實(shí)現(xiàn)了二維量子行走（如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案）,。由于在該平臺上可以很方便的對不同的位置空間執(zhí)行不同的旋轉(zhuǎn)操作，因此我們可以在系統(tǒng)中構(gòu)建出不均勻的區(qū)域用以表征不同的拓?fù)湎?。在這兩塊不均勻的區(qū)域的邊界上，我們首次在二維量子行走中觀測到反常的拓?fù)浔Ｗo(hù)束縛態(tài),，并且證明了在擾動(dòng)和無序條件下該束縛態(tài)的魯棒性（如圖2展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果）,。通常情況下，人們認(rèn)為拓?fù)浔Ｗo(hù)的束縛態(tài)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)具有不同拓?fù)湎嗟膮^(qū)域的界面處,，而我們的研究結(jié)果表明,，在兩個(gè)拓?fù)湎鄬?yīng)的拓?fù)洳蛔兞肯嗤悢?shù)都為0）的區(qū)域界面處，也是存在拓?fù)浔Ｗo(hù)的束縛態(tài),。這種現(xiàn)象不符合以往在靜態(tài)系統(tǒng)中對于陳數(shù)的理解,，而是周期性驅(qū)動(dòng)的離散行走中特有的現(xiàn)象,。在之前的光學(xué)波導(dǎo)系統(tǒng)中，通過精巧的設(shè)計(jì),，研究者可以觀察到反常的拓?fù)浔Ｗo(hù)的束縛態(tài),；而在量子行走系統(tǒng)中，我們從實(shí)驗(yàn)上證明了反常的拓?fù)浔Ｗo(hù)的束縛態(tài)的存在,。我們的研究結(jié)果豐富了人們對拓?fù)湎嗟睦斫?，并且為研究高維量子行走的拓?fù)洮F(xiàn)象提供了一種新途徑。
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