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　　图 1：费米子——反费米子散射过程和该过程与镱离子系统的映射关系。(a) 费米子、反费米子和波色子之间相互作用的费曼图。(b) 在镱离子系统中实现该相互作用的哈密顿量涉及的编码和操作。

　　利用可控量子系统进行量子模拟的研究领域飞速发展，量子模拟器超越经典计算能力已为时不远。人们期待这些量子模拟设备能够执行复杂的计算任务，比如量子场论或量子化学中的复杂计算。量子场论是对物理世界最成功的描述之一，其适用范围从基本粒子到凝聚态物质。分析该理论最著名的途径之一是利用费曼图进行微扰展开，即所谓戴森序列（Dyson series）。然而，在某些参数区域，比如耦合强度超过系统典型能量尺度的区域，不能用微扰理论进行研究。相较之下，量子模拟器有可能成为比经典计算机更高效地模拟量子场论的强有力的工具。

　　此项工作实验演示了如何在离子系统中模拟量子场论中的现象，比如粒子的产生和湮灭以及自相互作用过程等。该实验实现了原理验证性的量子模拟实验，演示了以波色模式为媒介的费米子——反费米子散射过程。实验利用离子振动模式来编码模拟的波色模式，同时将费米模式的状态映射到离子的4个电子能级中。这是首个利用离子的不同度同时模拟波色子和费米子的实验。

　　此外，与标准的经典或量子计算途径不同，该实验的研究方法不局限于微扰区域，还可以观测到深入非微扰区域的精确动力学。即使对于拥有众多量子比特的量子计算机来说，这样的计算也是十分困难的。该实验打开了通向量子场论的可扩展数字—模拟混合量子计算的大门。

　　图 2：量子场论的离子模拟结果。该结果展示了强相互作用下费米子和反费米子的湮灭过程，同时自作用和对产生过程都对量子动力学具有重要影响。

　　论文通讯作者是交叉信息院助理研究员张静宁和长聘副教授金奇奂。同等贡献的第一作者是交叉信息院已毕业博士生张翔和2013级博士生张宽。2012级博士生沈杨超、2014级博士生张帅宁参与完成了实验。助理研究员张静宁、南方科技大学翁文康教授、巴斯克地区大学（University of the Basque Country）的尤伦·佩德纳莱斯（Julen Pedernales）博士、乔治·卡萨诺瓦（Jorge Casanova）博士、卢卡斯·拉马塔（Lucas Lamata）博士和恩里克·索拉诺（Enrique Solano）教授为该工作提供理论支持。此项研究得到中国国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金的支持。

　　1月15日，大学物理系张定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授研究团队在《自然-物理》期刊发表了题为《薄层锡烯中的超导电性》(Superconductivity in few-layer stanene)的论文，报道了在薄至两个原子层厚度的灰锡—锡烯—中，首次发现了二维超导电性，并了其拓扑非平庸物性。

　　探索新型二维超导体，不仅能对理解具有二维超导特性的高温超导提供新的思，而且还会为研究诸如量子格里菲斯相变、伊辛超导配对、玻色量子金属等奇特量子现象提供新的研究平台。近年来，人们发现一些准二维超导体还可能是拓扑超导体，这为发现马约拉纳费米子带来了希望。

　　锡的超导电性已被发现一百多年了，但这个现象仅存在于白锡(β-Sn)中。锡的另一个常见的相是灰锡(α-Sn)，它是半金属，不具有超导电性。近些年，人们认识到灰锡是一种拓扑绝缘体。著名物理学家、特聘教授张首晟曾预言，沿晶体某一特殊方向的单层灰锡—锡烯(stanene)—具有类似于石墨烯的六角结构，可能具有室温量子自旋霍尔效应等一系列重要的拓扑物性。大学薛其坤教授、何珂教授研究组利用束外延生长技术，在硅衬底上制备出铋碲(Bi2Te3)和铅碲(PbTe)，最终在铅碲(PbTe)上生长出了高质量大面积平整的锡烯薄膜。

　　在此基础上，张定等开展了锡烯薄膜的极低温电、磁输运测量。出乎意料的是，他们发现厚度为两个原子层及更厚的锡烯薄膜具有二维超导电性，这是在灰锡中首次发现超导电性。研究表明，锡烯的态密度受到了衬底的调制，导致了超导电性的出现。通过改变衬底厚度，他们还实现了锡烯从单带超导体到双带超导体的转变。更有意义的是，外延生长的锡烯薄膜极其稳定，在没有任何层的情况下其超导电性可以长久保持（超过一年）。

　　除了锡烯二维超导电性的发现，该工作还为下一步在拓扑电子学方面的探索奠定了基础。徐勇的第一性原理计算表明，锡烯本身具有反转能带结构，是拓扑非平庸的，这为拓扑超导的研究提供了新思。由于锡烯超导层与碲化铋衬底具有原子级平整的界面，而后者是三维拓扑绝缘体，这个特点使得通过超导近邻效应实现量子化的马约拉纳零能模成为可能。

　　大学物理系2015级博士生廖孟涵、臧运祎（现为马普微结构物理所博士后）为文章共同第一作者，张定助理教授、徐勇助理教授和薛其坤教授为共同通讯作者。大学物理系何珂教授、王亚愚教授、马旭村研究员，美国斯坦福大学物理系张首晟教授参与了该项研究。合作者包括大学物理系管兆永博士、胡小鹏博士和博士生威（2015级）、龚演（2013级）、朱科静（2015级）。该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金、国家青年千人计划、大学低维量子物理国家重点实验室以及未来芯片技术高精尖创新中心等的支持。

　　1月12日，大学脑与智能实验室教授王小勤研究组在《大脑皮层》（Cerebral Cortex）期刊发表了题为《人的岛叶各分区在情绪和听觉信息处理中的作用》（“The Roles of Subdivisions of Human Insula in Emotion Perception and Auditory Processing”）的论文，通过与临床医师合作直接获取人状态下的高时空分辨率的大脑神经电活动，并结合磁共振和皮层电刺激等多种方法，了岛叶皮层的前后各分区在听觉信息处理和情绪信息处理的不同作用。此项工作指明了岛叶可能是人类实现从刺激到内在情绪认知的一个重要节点。

　　该研究结合了弥散张量成像（DTI），静息态功能磁共振成像（rs-fMRI），颅内脑电（iEEG）和皮层电刺激（ECS）四种技术手段，从结构连接，功能连接，神经电生理和临床金标准的皮层电刺激四个方面综合分析了人的岛叶各分区对感觉信息和情绪信息的处理情况。弥散张量成像用于分析大脑各区域之间的纤维物理连接，该研究发现人的岛叶后部主要和感觉运动、听觉等感觉系统有纤维连接，而岛叶的前部主要和杏仁核、前额叶等情绪相关的边缘系统有纤维连接。静息态功能磁共振成像主要分析大脑各区域之间的功能连接，该研究发现人的岛叶后部主要和感觉运动、听觉等感觉系统有功能连接，而岛叶的前部主要和前额叶、前扣带回等情绪相关的边缘系统有功能连接。这两方面的数据岛叶前后两部分与大脑其他部位的连接是不同的，岛叶后部主要连接感觉系统，而岛叶前部主要连接情绪相关的边缘系统。

　　为了进一步岛叶前后两部分的响应特性，本项研究在病人神经电生理监测期间用带情绪和不带情绪的声音刺激进行测试。研究组发现，岛叶后部的电极对于有情绪和没有情绪的声音响应类似，但是岛叶前部的电极对于有情绪的声音有明显的选择性。此外，该研究还通过对这些电极的电刺激纪录了病人的主观反应。研究组发现，电刺激岛叶后部的电极，病人多报告听到水声、感觉运动等感官反应，但是当电刺激岛叶前部的电极时，病人多报告心慌、恶心等情绪反应。这一发现进一步岛叶前后部在感觉信息和情绪信息处理中的不同作用。

　　综合这四方面的数据结果，该研究从连接性，电生理和电刺激等多个方面交叉验证了岛叶前后两部分在感觉信息处理和情绪信息处理中的功能。其中岛叶后部处理感觉信息，岛叶前部处理情绪信息。这样的结果指明了人的岛叶在从感觉信息到内在情绪信息过程中的重要作用。

　　大学脑与智能实验室王小勤教授是论文的通讯作者，生物医学工程系2011级博士生张杨为论文第一作者，生物医学工程系洪波研究员为论文共同通讯作者。大学第二附属医院癫痫中心主任周文静以及多位医生作为临床合作者参加了该项研究。本项研究中的磁共振成像得到了大学生物医学影像中心的支持。该研究获得了国家自然科学基金项目和大学基金项目的资助。