近日，中國科學院武漢物理與數學研究所研究員馮芒帶領的束縛體系量子信息研究組在實驗探索囚禁離子多體體系的結構相變方面取得進展，其結果發表在《科學報告》（Scientific Reports）上。

　　相變是有序和無序兩種傾向相互競爭的結果，多體體系中的相變一直是現代物理學關注的問題。通常與固、液、氣三態對應，物質表現為固相、液相、氣相，這三種相的變化與溫度密切相關。在某個溫度點，物質從一種相轉變為另一種相的過程稱為相變。囚禁在電磁勢阱中的冷離子在庫侖場和囚禁勢場的聯合作用下能展現不同結構的相變，是研究多體物理復雜性并過渡到量子相變的一個理想研究平臺。因此，研究這種結構相變不僅能從細節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驗裝置。該芯片尺寸略小于壹角錢的硬幣，含有五對電極，在電場操縱下可以產生三個勢阱。它是可擴展型量子計算芯片的雛形，可精確控制囚禁的離子來回移動和旋轉。研究人員研究了6-16 個離子在50 mK 下的結構相變，發現了四個相區和相應的三個相變過程，其中有兩個相變過程以前從未被展現過：它們分別是從之字形結構變到單圈結構和從單圈結構變到多圈相套結構。通過對該過程作數值模擬并考慮離子的加熱率，研究人員確認這些相變都是二級相變。

　　該研究是在科技部國家重大科學研究計劃“囚禁單原子（離子）與光耦合體系量子態的操控”和國家自然科學基金等項目支持下完成的。

　　(左上) 實物圖：離子芯片與壹角錢硬幣的比較；(左下) 實驗分析圖：四個相區 A、B、C、D 和三個相變過程 (A-> B，B->C，C->D)；(右) 10個離子結構相變的實驗觀測，圖中的數值為代表各向異性的參變量。