Observation of a topological edge state among localized bulk states in the anisotropic quantum Rabi model
研究人员利用离子阱量子模拟器，通过将手征性、自旋-玻色子可分性以及高度挤压真空态等独特特征与局域体态区分开来，在各向异性量子拉比模型中识别出了拓扑边缘态，从而确立了以本征态级表征作为探测缺乏平移对称性系统中拓扑现象的一种方法。
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在量子物理的世界中，科学家们经常寻找由底层对称性规则所保护的特殊物质状态。想象一种材料，其中的电流仅沿着边缘流动，而内部则完全静止。这些“边缘态”是稳健的；它们可以从破坏普通电流的颠簸或缺陷中幸存下来。这种被称为“拓扑”的现象，通常依赖于一种重复的模式，就像地板上整齐的瓷砖一样，来创造这些受保护的路径。然而，自然界并不总是如此有序。在这些重复模式被打破或缺失的系统中，寻找这些边缘态的常规方法会失效。如果整个系统变得杂乱无章，那么边缘态和材料内部的普通态可能会被困在同一个地方，使得仅仅通过观察它们所处的位置时，它们看起来完全一样。物理学家的挑战在于，当它们都被困在同一个位置时，如何将它们区分开来。
一组研究人员现在通过在实验室中创造出一种新型量子系统，并观察一种通过其内部结构而非其位置显现出来的特殊边缘态，从而解决了这个难题。他们利用由俘获离子（即由电场固定的微小带电原子）构建的量子模拟器，重建了一个被称为各向异性量子拉比模型（anisotropic quantum Rabi model）的模型。在这个设置中，原子充当了合成晶格，即量子粒子可以跳跃的点阵。与连接点之间关系均等的标准网格不同，本实验中的连接随着距离的增加而增强，从而打破了通常的重复模式。尽管存在这种无序，研究人员仍成功制备了一种位于系统边缘的特定量子态。他们发现，虽然这个状态看起来和周围的普通态一样被困在原地，但它拥有独特的内部指纹：一种独特的手性，以及自旋与运动组分之间的完全分离。
该实验是使用由两个镱离子组成的链进行的研究，其中一个离子作为主角，另一个作为测量结果的见证者。科学家们通过精心调谐的激光束，操纵了离子的内部自旋与其物理运动之间的相互作用。通过缓慢调节这些相互作用的强度，他们将系统引导至一个特定的能量态。在他们创造的拓扑相中，出现了一个特殊的零能态。研究人员将该状态与系统中存在的几个普通态进行了比较。当他们观察粒子可能出现的概率位置时，特殊的边缘态和普通态都表现为在链的起始端附近发生局域化，即被困住了。这证实了仅仅通过观察粒子的位置，不足以将拓扑态与其余状态区分开来。
为了寻找差异，团队检查了状态的内部属性。他们测量了一个被称为“手性”（chirality）的属性，这描述了量子系统中的一种手感或方向性。特殊的边缘态展现出了非常清晰、一致的手性，几乎完全表现为一个右手系状态。相比之下，普通的体态则是左右手性的混乱混合，平均而言没有明确的方向。此外，研究人员观察了离子的自旋与运动是如何关联的。在普通态中，自旋和运动是深度纠缠的，这意味着如果不描述其中之一，就无法描述另一方。然而，特殊的边缘态却异常纯净；其自旋和运动几乎完全分离，表现得仿佛它们是两个恰好在同一位置的独立物体。
研究进一步深入到了该特殊态的运动部分。通过一种被称为“相空间层析成像”（phase-space tomography）的技术——这种技术可以像拍摄波的图像一样绘制出量子态——团队发现该边缘态的运动组分是一个“挤压真空态”（squeezed vacuum）。这是一种高度非经典的态，其中运动的一个方面的确定性被降低到标准极限以下，而另一个方面的确定性则增加。研究人员测得其挤压量高达 6.45 分贝，这一显著数值证实了该状态绝非寻常。随着相互作用强度的增加，挤压现象变得更加显著，其变化符合理论预测，直到系统变得过于嘈杂而无法维持完美的态。
这些发现表明，即使在没有重复模式的系统中，拓扑边缘态依然可以存在并被识别。关键不在于寻找状态所处的位置，而在于观察状态是由什么构成的。通过识别独特的手性和组分的分离，研究人员证明了拓扑性质在无序中得以幸存。这项工作为探测拓扑现象建立了一种新方法，表明量子态的内部结构可以作为可靠的特征信号，即使该状态隐藏在其他局域化态之中。这种在受控环境中创造和表征这些状态的能力，为探索更复杂的拓扑模型以及开发潜在的稳健量子信息处理方法打开了大门。
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