华南师大量子计算领域新进展：首次观测到四维参量空间张量磁单极

磁铁有南极和北极两个磁极，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，称为狄拉克磁单极，它和杨（振宁）磁单极同属于矢量磁单极，这类磁单极在凝聚态和人工量子体系中已有许多实验实现。

据了解，狄拉克提出的磁单极存在于三维空间，杨振宁先生提出的杨磁单极存在于五维空间。他们同属一类磁单极，皆为矢量规范势产生的单极子，磁荷是量子化的，并由拓扑陈数刻画。而张量磁单极，是一种存在四维空间的独特磁单极，其独特之处在于其由张量规范势产生，磁荷由所谓的Dixmier-Douady 拓扑不变量刻画。同时，张量磁单极在弦理论中具有关键作用。

近日，华南师大粤港量子物质联合实验室在量子计算领域取得了重要进展，这一重要进展与张量磁单极相关：朱诗亮教授课题组与南京大学合作，利用超导量子比特系统首次实现和观测到四维参量空间中的张量磁单极。

据悉，在人工量子系统中寻找张量磁单极，面临两个关键问题：

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，研究团队近年来通过理论与实验紧密合作，在超导量子比特系统中实现了参量可控三能级哈密顿量及其拓扑金属模拟，以及直接测量了量子度规张量。

基于此前的研究，研究团队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，从而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。

三维空间中的狄拉克磁单极和四维空间的张量磁单极示意图(华南师范大学量子物质研究院)

实验测量和理论模拟的张量磁单极拓扑荷及其拓扑相变(华南师范大学量子物质研究院)

该成果于1月8日在《Physical Review Letters》上发表，这一成果的实现有助于磁单极物理、张量规范场和拓扑物理在人工量子系统中的进一步研究。

除此之外，几乎同时，麻省理工学院-布鲁塞尔自由大学合作组也在金刚石色心中观测到了四维参量空间中的张量磁单极。

上述系列工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技厅等项目的资助。