1月15日消息（余予）​磁鐵有南極和北極兩個磁極，不存在只有一個磁極的磁鐵，這已經(jīng)成為中學生的常識。但是，1931年，大物理學家保羅·狄拉克用優(yōu)美的數(shù)學公式和深刻的物理洞察力，從理論上預言自然界中存在一種只帶單一磁極的粒子，稱為狄拉克磁單極，它和楊（振寧）磁單極同屬于矢量磁單極，這類磁單極在凝聚態(tài)和人工量子體系中已有許多實驗實現(xiàn)。

據(jù)了解，狄拉克提出的磁單極存在于三維空間，楊振寧先生提出的楊磁單極存在于五維空間。他們同屬一類磁單極，皆為矢量規(guī)范勢產(chǎn)生的單極子，磁荷是量子化的，并由拓撲陳數(shù)刻畫。而張量磁單極，是一種存在四維空間的獨特磁單極，其獨特之處在于其由張量規(guī)范勢產(chǎn)生，磁荷由所謂的Dixmier-Douady 拓撲不變量刻畫。同時，張量磁單極在弦理論中具有關鍵作用。

近日，華南師大粵港量子物質聯(lián)合實驗室在量子計算領域取得了重要進展，這一重要進展與張量磁單極相關：朱詩亮教授課題組與南京大學合作，利用超導量子比特系統(tǒng)首次實現(xiàn)和觀測到四維參量空間中的張量磁單極。

據(jù)悉，在人工量子系統(tǒng)中尋找張量磁單極，面臨兩個關鍵問題：

一是如何構造高維參量空間中可控的系統(tǒng)哈密頓量；

二是如何測量參量空間中量子態(tài)的度規(guī)張量，從而得到張量磁單極的拓撲荷。

圍繞這兩個問題，研究團隊近年來通過理論與實驗緊密合作，在超導量子比特系統(tǒng)中實現(xiàn)了參量可控三能級哈密頓量及其拓撲金屬模擬，以及直接測量了量子度規(guī)張量。

基于此前的研究，研究團隊利用超導四能級人工原子在四維參量空間中構造和實現(xiàn)了張量磁單極的等效哈密頓量，從而在超導人工原子中實現(xiàn)了參數(shù)空間的張量單極子和Dixmier-Douady不變量的測量。

三維空間中的狄拉克磁單極和四維空間的張量磁單極示意圖

實驗測量和理論模擬的張量磁單極拓撲荷及其拓撲相變

該成果于1月8日在《Physical Review Letters》上發(fā)表，這一成果的實現(xiàn)有助于磁單極物理、張量規(guī)范場和拓撲物理在人工量子系統(tǒng)中的進一步研究。

除此之外，幾乎同時，麻省理工學院-布魯塞爾自由大學合作組也在金剛石色心中觀測到了四維參量空間中的張量磁單極。

上述系列工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省科技廳等項目的資助。

論文鏈接：http://worldfootballweekly.com/uploadfile/2021/0115/20210115171013451G.017702

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