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蔡子课题组:开放量子系统中的对称保护拓扑边缘态和自发时间反演对称性破缺

近日,《Physical review Letters》刊发了上海交大腾慱会tengbo18蔡子课题组的题为“Symmetry-protected topological edge modes and emergent partial time reversal symmetry breaking in open quantum many-body systems”的文章【1】,报道了其关于开放量子多体系统中对称性保护的拓扑边缘态以及演生的时间反演自发对称破缺的工作。

针对建造具有实用价值的通用量子计算机的国际竞争日趋激烈,如何在对多个量子比特进行相干操作的同时,降低环境对于量子系统的影响一直是这一领域的一个核心挑战。拓扑量子计算因其能极高地容忍局域微扰造成的错误,成为实现这一目标的一种可能的方案。 作为拓扑量子计算基。仄肆孔游锾蚱淝痹诘挠τ眉壑,一直是凝聚态物理研究的前沿课题。近年来,以拓扑绝缘体为代表的一类新型拓扑态受到广泛的关注。不同于传统的拓扑物态(例如量子霍尔效应),这类物质的拓扑性质只对满足特定对称性的微扰保持稳定,因此被称为“对称保护的拓扑态(SPT)”。 例如,在拓扑绝缘体中,其边缘上的量子化自旋流被时间反演对称性所保护,而对于破坏时间反演的微扰(例如外磁场)并不稳定。一般认为,环境对量子系统的影响可以看成某种局域的微扰,如果环境本身以及系统和环境的耦合均不破坏相应的对称性,则系统的拓扑性质不会受到环境的干扰,这也是当前拓扑量子计算的理论基础。

然而,相比于自然界中的其他对称性,时间反演这一对称性的特殊性在于其不仅可以被显式地(explicitly)破坏(例如外加磁场), 也会在宏观层面上自发破缺:即宏观世界的时间的不可逆性(热力学第二定律)。 因此,研究时间反演在宏观层面的自发破缺对拓扑物态,尤其是受到时间反演对称性保护的拓扑物态的影响,不仅能拓展人们对于拓扑物态理解,同时对于当前拓扑量子计算领域具有重要的现实意义。

针对这一问题,上海交通大学蔡子课题组和北京航空航天大学李伟课题组合作,利用密度矩阵重整化群方法研究了和环境有耦合的对称性保护的拓扑系统,揭示了时间反演这一对称性在拓扑性质保护上的脆弱性:即使环境和系统-环境耦合均不破坏时间反演对称性,拓扑系统中由时间反演对称性保护的拓扑边缘态也会被破坏。这一发现将目前对于对称性保护的拓扑态的研究推广到开放系统,并对当前基于时间反演对称保护的拓扑物态(例如拓扑绝缘体)的潜在应用提出了挑战。

致远学院四年级本科生王子健为本工作第一作者,北京航空航天大学李乔伊为共同一作上海交通大学蔡子特别研究员和北京航空航天大学李伟教授为共同通讯作者。这一工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中组部青年千人计划以及上海市科委重点项目和上海市人才计划的资助的支持。

链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.237201

Zijian Wang#, Qiaoyi Li#, Wei Li* and Zi Cai*,  “Symmetry protected topological edge modes and emergent partial time reversal symmetry breaking in open quantum many-body systems”,Phys. Rev. Lett. 126, 237201 (2021)

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