近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員馮芒帶領(lǐng)的束縛體系量子信息研究組在實(shí)驗(yàn)探索囚禁離子多體體系的結(jié)構(gòu)相變方面取得進(jìn)展，其結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上。

　　相變是有序和無(wú)序兩種傾向相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，多體體系中的相變一直是現(xiàn)代物理學(xué)關(guān)注的問(wèn)題。通常與固、液、氣三態(tài)對(duì)應(yīng)，物質(zhì)表現(xiàn)為固相、液相、氣相，這三種相的變化與溫度密切相關(guān)。在某個(gè)溫度點(diǎn)，物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程稱為相變。囚禁在電磁勢(shì)阱中的冷離子在庫(kù)侖場(chǎng)和囚禁勢(shì)場(chǎng)的聯(lián)合作用下能展現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的相變，是研究多體物理復(fù)雜性并過(guò)渡到量子相變的一個(gè)理想研究平臺(tái)。因此，研究這種結(jié)構(gòu)相變不僅能從細(xì)節(jié)上把握多體體系豐富的物理特征，而且能為量子信息處理中量子比特的操控提供有效的物理機(jī)理。

　　為此，研究組自主研制了表面電極型平面離子芯片作為實(shí)驗(yàn)裝置。該芯片尺寸略小于壹角錢的硬幣，含有五對(duì)電極，在電場(chǎng)操縱下可以產(chǎn)生三個(gè)勢(shì)阱。它是可擴(kuò)展型量子計(jì)算芯片的雛形，可精確控制囚禁的離子來(lái)回移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。研究人員研究了6-16 個(gè)離子在50 mK 下的結(jié)構(gòu)相變，發(fā)現(xiàn)了四個(gè)相區(qū)和相應(yīng)的三個(gè)相變過(guò)程，其中有兩個(gè)相變過(guò)程以前從未被展現(xiàn)過(guò)：它們分別是從之字形結(jié)構(gòu)變到單圈結(jié)構(gòu)和從單圈結(jié)構(gòu)變到多圈相套結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)該過(guò)程作數(shù)值模擬并考慮離子的加熱率，研究人員確認(rèn)這些相變都是二級(jí)相變。

　　該研究是在科技部國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態(tài)的操控”和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持下完成的。

　　(左上) 實(shí)物圖：離子芯片與壹角錢硬幣的比較；(左下) 實(shí)驗(yàn)分析圖：四個(gè)相區(qū) A、B、C、D 和三個(gè)相變過(guò)程 (A-> B，B->C，C->D)；(右) 10個(gè)離子結(jié)構(gòu)相變的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，圖中的數(shù)值為代表各向異性的參變量。