中科院院士、中國科學技術(shù)大學教授郭光燦團隊在量子計算',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_1">拓撲量子計算領(lǐng)域取得重要進展。該團隊成員與英國利茲大學科研人員合作，利用自主搭建的光量子模擬器計算了基于馬約拉納零模拓撲結(jié)構(gòu)的瓊斯多項式。該團隊通過模擬馬約拉納零模的編織操作，計算了不同拓撲結(jié)構(gòu)的扭結(jié)對應的瓊斯多項式，所得的瓊斯值可以實現(xiàn)對不同扭結(jié)結(jié)構(gòu)的區(qū)分。12月5日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報》上。

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實現(xiàn)馬約拉納零模交換操作的實驗裝置圖

瓊斯多項式是扭結(jié)的一個重要拓撲不變量，可以被用來區(qū)分不同的扭結(jié)結(jié)構(gòu)。同時，復雜拓撲結(jié)構(gòu)的瓊斯多項式計算使用經(jīng)典算法難以求解。利用馬約拉納零模這一非阿貝爾任意子系統(tǒng)，可以通過構(gòu)建相應的編織操作來計算扭結(jié)的瓊斯多項式。不同于三維空間中交換兩個全同的玻色子或費米子，系統(tǒng)整體波函數(shù)僅會多出一個整體相位；對于二維空間中具有特殊性質(zhì)的“非阿貝爾任意子”，其交換后的整體波函數(shù)會經(jīng)歷一個幺正變換，因此，可以通過對非阿貝爾任意子的交換操作構(gòu)造量子門，實現(xiàn)具有天然容錯特性的拓撲量子計算。已有實驗工作研究了馬約拉納零模的物理特性，但由于實驗材料及技術(shù)的要求高，通過編織馬約拉納零模實現(xiàn)特定的拓撲量子算法頗具挑戰(zhàn)性。

基于光子空間模式的量子模擬器，該團隊開展了一系列模擬非阿貝爾任意子拓撲特性的實驗研究。在此基礎(chǔ)上，該團隊將之前基于單光子空間模式的編碼方式擴展到雙光子的空間模式，利用雙光子的符合計數(shù)進行編碼，有效提高了可編碼量子態(tài)的數(shù)量。同時，通過引入基于薩格納克干涉儀的量子冷卻裝置，將此前工作中的耗散式演化轉(zhuǎn)換為非耗散演化，提升了裝置對光子資源的回收利用能力，有助于實現(xiàn)多步驟的量子演化操作。這些改進的實驗技術(shù)提升了自主研制光量子模擬器的能力，為實驗模擬3條基塔耶夫鏈模型下馬約拉納零模的編織操作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。實驗中，量子態(tài)與編織交換過程的平均保真度均在97%以上。

該團隊通過組合3條基塔耶夫鏈模型下馬約拉納零模不同的編織操作，模擬了5種典型的拓撲扭結(jié)，通過將扭結(jié)對應的量子末態(tài)向初始量子態(tài)投影，得到了扭結(jié)對應的瓊斯多項式的數(shù)值解，進一步將不同扭結(jié)進行區(qū)分。這對統(tǒng)計物理、化學分子合成和DNA復制等拓撲扭結(jié)頻繁出現(xiàn)的研究領(lǐng)域具有啟示意義。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、安徽省的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.230603