--- url: /posts/o3pgbuqb/index.md --- :::tip 这是思政实践中，参观「中国科学院物理所」时，听到的几个报告的一些记录. ::: ## 拓扑量子材料研究进展 —— 中科院物理所 HM-T03 研究组 材料中的拓扑最开始是从 Hall 效应开始理解的，量子 Hall 效应中的环带如果不完整，就会造成一个行波模式，产生阶梯形的变化. 这是一种宏观的量子现象，不随材料变化；同时是比较稳定的拓扑现象，与材料中掺杂的杂质关系不大. 量子反常 Hall 效应中，不需要外加的磁性，也可以达到稳定边界态；如果存在时间反演对称性，我们可以制造量子自旋 Hall 效应. 量子化版本的 Hall 效应实际上对应着拓扑态，拓扑 = 整数 = 量子. 拓扑物态的发现，改变了人类对于「物态」的认知，拓扑物态完全是由全局的一个拓扑量来描述，和 Landau 的相变理论相互区别. 在拓扑态下，物质具有很多好的性质：拓扑物态中的电子流动性质和经典物态中的运动有很大区别，天然可能产生低能耗、高效率的材料. 近 40 年来，该领域已经获得 3 次 Nobel Prize. 目前的研究主要集中于从第一性原理计算处理论结果，然后尝试预测. 计算预测手段主要来自于密度泛函理论 (DFT)：用 Born - Oppenheimer 近似进行拟合. ## 量子材料中的光 - 物质相互作用 * 超导材料在光学中的相互作用：单光子探测 (在超导临界态，对于光子的探测极为敏感). * 拓扑材料：在普通超导体中电子通过 Cooper 对结合，但是要实现 Majorana 态，就需要找到一些三自旋态. * Two - level defect hosts … 这些材料体现了一些 quantum 的性质，所以我们将它们统称为量子材料. 接下来我们了解一些光与量子材料的相互作用问题. ### 利用光学手段研究超导材料 对于某些超导材料，可能存在一些界面，为了理解这里的界面性质、缺陷原子位置，可以使用光学的手段. 这里我们使用同步辐射光源来照射超导界面，得到一个较高分辨率的界面图像；同时可以通过光学手段来调整界面的性质，实现「超导开关」. 当光照射到超导界面，不仅对电子产生激发，同时还改变了超导体的晶体结构. 另外，光源照射可以得到纳米级别的界面图像，所以可以利用晶场成像来判断「哪里导电、哪里不导电」，也就是研究这个界面 (二维电子气) 的输运性质. ### 量子材料的光学应用 量子材料可以实现打破传统光传播特性的一些光系统，比如只能向一个方向传播的 quantum light，有很好的应用前景. 另外，可以使用量子化的计量基准来对光学测量量进行标准化，用 SI 制常数来规范光学的计量. ## 拓扑和新型 量子比特和器件 目前的拓扑物态体系都不是超导态，但是拓扑超导态具有非常重要的物理意义，这种物态实现的量子器件因为受到拓扑保护，而具有鲁棒性，稳定性大幅提高；同时因为是超导态，所以可以用来制作量子比特. 近几年 Microsoft 生成已经发布的 Majorana 1 芯片实现了拓扑量子计算，但是实际上并没有实现，感兴趣可以去查一下. ### 拓扑材料 拓扑材料就是用拓扑量来描述的物质，用一个简单的陈述来描述材料的特性，这类材料的特殊性质与杂质、缺陷无关. 比如用能带来描述某种材料，在外部能带正常，内部能带反转，这就好像材料中间出现了一个「洞」(内部和外部能带方向不同)，只要这个洞存在，它的拓扑性质就不改变. 同时，因为能带反转，反转与正常区域一定会有一个交接的部分，这个界面上能带之间没有带隙，所以具有很好的性质. 拓扑材料的表面性质就像一个 pizza，内部是面粉，但是表面具有很丰富的特性. 对于一个二维的拓扑材料，其能带反转区 / 表面就是一维的一个体系. ### 量子计算 量子比特 = 量子叠加态，用 $a\ket{0}+b\ket{1}$ 来描述一个态. 量子计算的并行计算能力很强： > 以找迷宫出口为例： > > * 经典计算机是走一条路，到头就重新回到上一个路口尝试； > * 量子计算近可以同时走很多条岔路，极大提升速度. 量子计算的挑战主要是退相干. 我们不能保证在干扰情况下，量子比特能够一直保持耦合的状态，量子比特越多，保真度就越低. 如果使用拓扑量子材料，那么稳定性可以提高非常多. 以所谓 Majorana 零能模 (Majorana Zero Mode, MZM) 为例，Dirac 方程： $$ \text{i}\hbar\gamma^\mu\partial\_\mu\psi-mc\psi=0 $$ 其实数解是 MZM，其反粒子是其自身. 产生 MZM 后，用不同的交换方式可以实现信息的记录，类似「结绳记事」；用 MZM 实现的原因是，如果是 boson / fermion，交换会产生对称 / 反对称态，不能出现更多的态. ### 一些题外话 ::: tip 研究员：大家可能觉得最近几十年多了很多「量子」有关的词汇，有点不适应. 我曾经也被拉过去和民科辩论，和他们解释量子力学是存在的，虽然那些人反驳说：「百度上…」 量子的发展是必然的一种结果. ::: 人们想要测试一些宏观量子现象，所以曾经拿水熊虫放在谐振腔中尝试过，实际上确实有一定的量子效应. 综合极端条件是实现拓扑物态及其量子效应的重要前提.