中国科学技术大学在任意子光量子模拟中取得重要进展

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发布:2021-11-01 15:45

中国科大郭光灿院士团队在光量子模拟和拓扑量子计算研究中取得重要进展。该团队李传锋、韩永建、许金时等人与英国利兹大学教授JiannisPachos合作,模拟展示了一种基于仲费米子零模编织操作和魔术态萃取实现拓扑量子计算的方法。研究团队使用自主设计搭建的多模式光量子模拟器,研究了仲费米子零模的量子统计和量子互文性质。实验结果显示仲费米子零模编织过程对局域噪声免疫,并且保持量子互文资源守恒,因此有望通过编织操作和魔术态萃取等手段进行普适、容错的量子计算。该成果8月9日以研究长文的形式在线发表在美国物理学会期刊《PRXQuantum》上,并被选为编辑推荐文章(Editor’ssuggestion)。

按照量子力学原理,三维空间中交换两个全同的玻色子或费米子位置时,系统波函数只会出现整体相位;然而,二维拓扑系统中允许存在性质奇特的“任意子”。当两个非阿贝尔任意子位置交换时,系统波函数会经历一个幺正演化,因此,可通过任意子的编织操作构造容错的量子门,从而实现拓扑量子计算。最广为人知的非阿贝尔任意子是马约拉纳零模。然而,尽管马约拉纳零模的实验制备一直是研究热点,迄今为止仍然没有实验能明确验证它的存在。除实验困难外,马约拉纳零模体系还有两个缺点:一是它们的编织不足以在拓扑保护下实现通用量子门,二是一种名为准粒子中毒的机制可能会严重降低其相干时间,从而影响该体系的量子计算能力。

李传锋、韩永建、许金时等人在前期关于马约拉纳零模体系的工作基础上[Nat.Commun.7,13194(2016);Sci.Adv.4,eaat6533(2018)],研究了新型非阿贝尔任意子的性质。研究组使用光量子模拟器研究了仲费米子零模的特性。仲费米子零模是马约拉纳零模的推广,它具有三重简并的基态并且天然地免疫准粒子中毒等退相干因素。借助一种非定域的数学变换,研究组将一条包含两个仲费米子零模的仲费米子链编码成一个多模式马赫-曾德尔干涉仪中光子的波函数。利用不同模式间光子的干涉以及相应激发模式的耗散,研究组在光量子模拟器中展现了仲费米子零模的编织统计和拓扑抗噪性质。编织操作的过程保真度达到93.4%。

仲费米子零模的编织操作本身只能实现一类称为Clifford的门操作。为了实现普适的量子计算,可以使用魔术态萃取生成non-Clifford门操作,而魔术态萃取的必要资源是量子互文性。研究组发现,仲费米子零模中的量子互文资源在局域噪声下受到拓扑保护几乎保持不变,而且在编织操作前后,量子互文资源也是一个守恒量。因此可以在编织操作中穿插进行魔术态萃取,从而在仲费米子零模体系中实现容错的普适量子计算。

光量子模拟研究仲费米子编织和互文特性的概念图

本工作刻画了仲费米子零模的编织特性和量子互文性质,为拓扑量子计算的实现提供一种可行的物理途径。审稿人高度评价该工作:“Themanuscript…isasoliddemonstrationofthesignaturesofparafermionicbraidingusingaphotonicsimulator.Thegrouphaspublishedseveralpapersinthisspaceandisspearheadinganovelresearchdirectionofsimulatingthesecondensedmatterphenomenathataretodateunattainableincondensedmattersystemsthemselvesthroughtheuseofaquantumemulationonaphotonicsystem.AssuchthepaperherepresentsnovelphysicsandademonstrationofanextensionoftheirpreviouslydevelopedandpublishedtechniquesforsimulatingMajoranafermionstatistics。”(该工作利用光子模拟器可靠地展示了仲费米子编织现象。研究组已在该领域发表了多篇论文,并正在引领一个新的研究方向:利用光量子模拟来展示迄今为止在凝聚态系统中无法观测到的一系列凝聚态现象。该工作不仅展示了全新的物理机制,而且扩展了他们先前对马约拉纳费米子体系的研究。)

论文共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士研究生刘正昊和和特任副研究员孙凯。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。

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