在量子物理学领域，科学家们一直在探索如何利用量子系统的独特性质来开发新技术，例如量子计算机。最近，ETH苏黎世的研究人员在量子系统中观察到了一个令人惊讶的现象：通过使用磁场，可以操纵人工构造的固态中的拓扑效应，从而控制粒子间的相互作用，使其开启或关闭。
在实验中，研究人员使用冷原子（费米钾原子）构建了人工固态，这些原子被激光束捕获在空间周期性的晶格中。通过额外的激光束，相邻晶格点的能量级会周期性地上升和下降，并且彼此不同步。在没有原子间相互作用的情况下，研究人员观察到能量状态的“甜甜圈”拓扑结构导致粒子在每个周期重复时总是沿相同方向被传输一个晶格点。
研究人员使用了一个螺丝的比喻来解释这种现象：螺丝的旋转是围绕其轴心的顺时针旋转，但螺丝本身会向前移动。这种运动被称为拓扑泵浦，是某些拓扑系统的特征。然而，当螺丝遇到障碍时会发生什么呢？在ETH研究人员的实验中，这个障碍是另一束激光，它限制了原子在纵向方向上的运动自由。在大约100次螺丝旋转后，原子就像撞到了一堵墙。
令人惊讶的是，原子并没有简单地停在墙上，而是突然转身。尽管螺丝继续顺时针旋转，但它的移动方向却反向了。这一现象可以通过晶格中存在的两种“甜甜圈”拓扑来解释——一个顺时针旋转的“甜甜圈”和一个逆时针旋转的“甜甜圈”。在墙上，原子可以从一种拓扑转变为另一种，从而反转它们的运动方向。
当研究人员在原子之间引入排斥相互作用并观察发生的情况时，他们再次感到惊讶：原子在到达激光墙之前，甚至在一堵看不见的屏障处就转身了。通过模型计算，研究人员能够展示出这种看不见的屏障是由原子本身通过相互排斥产生的。
这项研究的负责人Tilman Esslinger教授表示，这些观察结果为理解相互作用的拓扑系统迈出了重要的一步。他计划进行进一步的实验，以研究拓扑螺丝在面对混乱时是否如预期那样稳健，以及原子在两维或三维空间中的行为。
此外，Esslinger教授还考虑了一些实际应用。例如，通过拓扑泵浦传输原子或离子可以作为量子计算机中量子比特（qubits）的高速公路，将它们带到正确的位置，而不会加热或扰乱它们的量子状态。
亲爱的读者，你对量子系统中的这一新发现感到好奇吗？你认为这项研究将如何影响量子技术的发展？或者你有自己对量子物理和量子计算机的看法和想法吗？欢迎在评论区分享你的想法和见解，让我们一起探讨科技如何帮助我们更好地理解和利用量子世界。
参考资料：DOI： 10.1126/science.adg3848
