MIT中國博士在金剛石色心中觀(guān)測到4D參量空間張量磁單極，證明模擬受弦理論啟發(fā)的奇異拓撲結構可能性

研究伊始，本次論文的共同一作李長(cháng)昊最先關(guān)注到“先驅論文”，該論文提出可在高度可控的冷原子系統里模擬出張量磁單極子，并提出了通過(guò)測量度規張量得到 DD invariant 的拓撲不變量的方法。

看完“先驅論文”之后，陳墨和李長(cháng)昊認為上述方法具備實(shí)驗可行性。但在當時(shí)，陳墨即將博士畢業(yè)，實(shí)驗系統主要在進(jìn)行畢業(yè)論文相關(guān)的量子糾錯實(shí)驗，無(wú)法同時(shí)運行一個(gè)額外的實(shí)驗，所以他和李長(cháng)昊商量，用 IBM 開(kāi)放使用的超導量子計算機做張量磁單極子實(shí)驗。

就這樣，他倆開(kāi)始學(xué)習 IBM 的量子計算機，先是跑系統校準，然后嘗試在三維的簡(jiǎn)單情況下合成狄拉克單極。實(shí)驗前，他們對 IBM 的系統期望很高，因為就該系統列出來(lái)的參數來(lái)看，跑這么一個(gè)實(shí)驗綽綽有余。

“但是，看到結果比較失望?？赡苁俏覀兊男首龅貌缓冒?，最后出來(lái)的信噪比挺差的，所以到四維去做張量磁單極子的實(shí)驗肯定不行。因此，項目就擱置了一段時(shí)間?！标惸貞浄Q(chēng)。

而在新冠疫情期間，學(xué)校對每人每周去實(shí)驗室的時(shí)間均有規定。雖然所有的實(shí)驗都可以遠程操控，但是，研究后期的量子糾錯實(shí)驗，對系統精度的要求很高，必須每天都去實(shí)驗室調整光路。

疫情愈加肆虐，也讓量子糾錯的實(shí)驗難以為繼。這時(shí)，陳墨打算重啟擱置的張量磁單極子實(shí)驗，嘗試在金剛石色心系統中實(shí)現。但在一開(kāi)始就遭遇困難，如果直接按照“先驅論文”中的理論提案來(lái)做實(shí)驗，四維情況依然要比三維情況復雜得多，因此要做大量的優(yōu)化。

并且，按照“先驅論文”中的參量化提案，陳墨需要測一個(gè)二維平面，他估算了一下，哪怕日夜不停地跑實(shí)驗，也要大半年。所以，他邀請“先驅論文”的作者拿單·古德曼（Nathan Goldman）合作，對方也很樂(lè )意，立馬就給陳墨的實(shí)驗提建議，讓他嘗試用“諧振參量調制法”去測量子度量。

同時(shí)，陳墨也找到了一個(gè)特殊的參量化，借此進(jìn)入新的坐標系。在該坐標系里，他只需要掃一維的參數。再綜合拿單所給的建議，倆方法加在一起，讓實(shí)驗時(shí)間得以大大縮短。

接下來(lái)就是積攢數據。事實(shí)上，假如不做校準，系統穩定性就達不到量子糾錯實(shí)驗的要求。但對于陳墨來(lái)說(shuō)，只需做張量磁單極子就已足夠。同時(shí)，由于本次實(shí)驗的量子操控要求，均小于原來(lái)量子糾錯實(shí)驗的要求，因此整個(gè)實(shí)驗非常順利，很快就測到整數的 DD invariant。

然后，陳墨通過(guò)打破系統對稱(chēng)性去探索相關(guān)相變。這時(shí)，他發(fā)現更大的問(wèn)題在于如何解釋相變。因為，在打破手征對稱(chēng)性以后，系統里仍存在多個(gè)對稱(chēng)性。用“先驅論文”的作者的原話(huà)來(lái)說(shuō)，能夠完全理解該問(wèn)題的數學(xué)工具尚未“誕生”。所以在提交論文時(shí)，陳墨只是把相變作為一個(gè)小尾巴加在末尾，希望等數學(xué)工具完善以后，有人能幫他理解上述問(wèn)題。

研究中，最讓陳墨難忘的是導師葆拉·卡佩阿羅（Paola Cappellaro）對于科研的熱情和物理直覺(jué)。前面說(shuō)到，他通過(guò)兩種獨立的方法，分別用度規張量和貝里曲率，測量了張量磁單極子對應的拓撲不變量，而“先驅論文”其實(shí)只用了度規張量。

雖然“先驅論文”指出要用貝里曲率測量法，但因為在實(shí)驗上要做大量的態(tài)層析（state tomography），這非常耗時(shí)，而且從實(shí)際角度來(lái)說(shuō)也幾乎不可行。所以在論文初稿中，對于這一方法陳墨只是一筆帶過(guò)。

基于這一原因，陳墨所有的實(shí)驗都只測了度規張量。寫(xiě)論文時(shí)，他在補充材料部分，把一些貝里曲率的相關(guān)內容加進(jìn)去作為背景介紹。在預印本平臺提交文章的那天，導師給他發(fā)郵件說(shuō)找到了用貝里曲率進(jìn)行測量的極簡(jiǎn)形式，這讓他得以快速執行相關(guān)實(shí)驗，以便和之前的測量互相印證。

“我看了一下她發(fā)的推導，真的非常簡(jiǎn)單。在這件事上我很受激勵，我的導師作為 MIT 的正教授，平時(shí)各種事情已經(jīng)非常忙，但她還是會(huì )花時(shí)間自己去推導公式，對科研充滿(mǎn)了熱情，而不僅僅是作為一個(gè)實(shí)驗室管理者。當然從最后結果來(lái)看，補充這個(gè)額外的測量結果非常有用，不然我就很難回答審稿人問(wèn)的那個(gè)讓我懷疑人生的問(wèn)題：‘怎么才能證明這不是一個(gè)數學(xué)巧合？’如果像‘先驅論文’那樣只測度規張量的話(huà)，我的確不知道如何回答?！彼f(shuō)。

圖 | 左起：陳墨、陳墨的導師葆拉·卡佩阿羅（Paola Cappellaro）、李長(cháng)昊（來(lái)源：資料圖）

據介紹，陳墨是江蘇蘇州人。本科畢業(yè)于復旦大學(xué)光科學(xué)與工程系，后來(lái)到 MIT 讀碩。在 MIT 期間，對量子信息產(chǎn)生了興趣，遂在博士階段轉到了量子計算方向。目前，他在加州理工學(xué)院應用物理系做博后研究，主要是從事超導量子比特相關(guān)的科研。

對于后續計劃，他坦言：“暫時(shí)沒(méi)有計劃。還在等理論物理學(xué)家告訴我們，還有哪些張量磁單極子的問(wèn)題可以被研究，有可能還需要數學(xué)家先開(kāi)發(fā)一些數學(xué)工具?！?/span>

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參考：

1、Chen, M., Li, C., Palumbo, G., Zhu, Y. Q., Goldman, N., & Cappellaro, P. A synthetic monopole source of Kalb-Ramond field in diamond. Science, 375, 1017-1020 (2022).2、Sugawa, S., et al. Second Chern number of a quantum-simulated non-Abelian Yang monopole. Science, 360, 1429-1434 (2018).3、Palumbo, G., Goldman, N. Revealing Tensor Monopoles through Quantum-Metric Measurements. Phys. Rev. Lett, 121, 170401 (2018)