物语 | 开放量子系统中的对称保护拓扑态

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Research Highlights

本期我们介绍的工作是上海交通大学副教授蔡子发表在Physical Review Letters上的论文 Symmetry protected topological edge modes and emergent partial time reversal symmetry breaking in open quantum many-body systems 

(doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.237201)

论文简介

本工作将对称保护拓扑态这一概念推广到开放量子系统，并揭示了时间反演这一对称性在其中扮演的特殊角色。

摘要原文

Symmetry-protected topological edge modes are one of the most remarkable phenomena in topological physics. Here, we formulate and quantitatively examine the effect of a quantum bath on these topological edge modes. Using the density matrix renormalization group method, we study the ground state of a composite system of spin-1 quantum chain, where the system and the bath degrees of freedom are treated on the same footing. We focus on the dependence of these edge modes on the global and partial symmetries of system-bath coupling and on the features of the quantum bath. It is shown that the time-reversal symmetry (TRS) plays a special role for an open quantum system, where an emergent partial TRS breaking will result in a TRS-protected topological mode diffusing from the system edge into the bath, thus make it useless for quantum computation.

作者信息

蔡子，2010年博士毕业于于中科院物理研究所。先后在UCSD，慕尼黑大学，奥地利科学院从事博士后工作。2016年9月加入上海交通大学任准聘副教授。研究方向为强关联电子系统，开放量子多体系统，非平衡统计物理。

寻幽问径

Scholar Insights

我们有幸采访到了本文通讯作者蔡子副教授，以了解他的研究思路和研究心得。

您开展这个研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

蔡子：近十年以来我一直关注开放量子多体系统，而拓扑物态是当前量子多体物理关注的一类重要物态。将这两者结合是一个很自然的想法。研究环境对拓扑物态的影响不仅拓宽了拓扑物理学的研究范畴，也对当前量子（拓扑）计算有一定的现实意义。

完成这个研究需要采取什么特殊的计算方法/实验手段？

蔡子：不同于开放系统中的传统方法（把环境积掉得到系统的有效运动方程），这里我们将环境和系统做等权的考虑，这一方法让我们能够充分运用传统量子多体的数值方法（密度矩阵重整化群），同时不会丢掉环境的重要信息，使得我们可以系统地研究不同环境对系统的影响。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

蔡子：研究的早期，在将对称保护的拓扑态的一些性质推广到开放系统时，遇到一些数学上的困难。但是向这个领域的专家，中国人民大学的刘正鑫教授请教之后，很快搞清楚了这些问题。

您对研究结果满意吗？具体在什么方面取得了突破进展？

蔡子：对称性保护的拓扑物态是近年来广泛受到关注的一类拓扑物态，其拓扑性质只对满足特定对称性的微扰来说是稳定的，例如，拓扑绝缘体的边缘态受到时间反演对称性的保护。不同于其他对称性，时间反演具有其特殊性：即使微观哈密顿量满足这一对称性，其在宏观层面也可能自发破缺。受到N.Cooper工作的启发，我们发现这一结论对于受到时间反演保护的拓扑物态会有重要的影响：当这样一类系统耦合上环境时，即便系统，环境和系统环境耦合均不破坏时间反演，其边缘态也不再受到保护。

您的合作者如何看待这个研究的？您认为其他同行会如何看待这个研究？

蔡子：这一工作和理论所李伟课题组合作。这一合作的过程中让我认识到能够说服合作者、朋友、学生某个课题的重要性往往是一个工作能够成功至关重要的一步。这一工作引起了一些同行的兴趣。受王磊研究员的邀请，我在中科院物理所报告了该工作，报告当天于渌老师由于行程冲突没有能够参加。但他对这个问题比较有兴趣，之后专门让我去他办公室和他详细讨论，并给出了很多有益的建议。

论文在投审稿过程遇到了什么让您记忆深刻的事情？

蔡子：论文开始投稿到Phys.Rev.Lett.后，编辑拒绝送审，原因是公式太多，编辑认为适合更专门的杂志。这是我第一次遇到PRL拒绝送审的情况。后来我对文章结构、摘要、介绍部分做了大幅修改，最终得以送审，审稿过程比较顺利，从送审到正式发表只用了两个多月的时间。这一过程让我认识到，有时候被编辑/审稿人拒绝也不一定完全是坏事，这可能会给你一个重新审视，修改自己论文的机会，至少从提高论文可读性的角度可能会有帮助。

该研究会对相关领域做出什么贡献或影响？

蔡子：这一研究对于拓扑量子计算领域可能会产生一些影响，让人们重新审视这一领域的一些基本观点。比如，人们可能高估了拓扑物态对于环境带来的干扰的鲁棒性。

您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？

蔡子：本工作基于一个一维的对称性保护的拓扑物态，和目前拓扑物理实验上关注的拓扑物态（例如拓扑绝缘体）相差比较大。但是我们相信我们的结论是普适的。下一步我们会针对拓扑绝缘体这类实际系统，定量研究环境对于其拓扑性质的影响，并和具体实验结果相印证。前期清华大学的翟荟-陈宇课题组在这方面已经取得了一些重要进展。

您非常敬仰的科学家有哪一位或哪几位？简述原因？

蔡子：费曼，他让物理学变成“说人话”的科学。其研究风格单刀直入，简单明了，极度重视清晰的图像思维，拒绝花里胡哨的技巧，是我学习的榜样。

设计：阿泽

排版：由理

美编：农民

责编：理趣

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