山西大學(xué)在量子計(jì)算和量子模擬領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，山西大學(xué)激光光譜研究所梅鋒教授研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子線路和拓?fù)湮飸B(tài)的數(shù)字量子模擬，相關(guān)研究成果“Digital Simulation of Topological Matter on Programmable Quantum Processors”于2020年10月15日發(fā)表在物理學(xué)頂級學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）。梅鋒教授為該論文的第一作者和共同通訊作者。論文主要合作者還包括我校賈鎖堂教授、肖連團(tuán)教授、南京大學(xué)朱詩亮教授以及華南師范大學(xué)於亞飛副教授。

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圖1. 在IBM量子信息處理器(圖左)上首次實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子線路(圖右)。

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圖2. 實(shí)驗(yàn)上在8個(gè)量子比特的帶噪聲量子信息處理器中觀察到拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊界態(tài)。

拓?fù)湮飸B(tài)是數(shù)學(xué)中的拓?fù)鋵W(xué)概念在物理系統(tǒng)中的體現(xiàn)，拓?fù)湮飸B(tài)具有全新的拓?fù)浔Ｗo(hù)物性，可用來實(shí)現(xiàn)能量和信息的無損耗單向傳播，可用于實(shí)現(xiàn)拓?fù)浔Ｗo(hù)的大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算。近年來，利用人工量子體系模擬拓?fù)湮飸B(tài)，成為國際上的前沿研究熱點(diǎn)。量子模擬分為類比量子模擬和數(shù)字量子模擬。對于拓?fù)湮飸B(tài)的量子模擬，目前的研究主要集中于類比量子模擬，如何實(shí)現(xiàn)拓?fù)湮飸B(tài)的數(shù)字量子模擬，即模擬拓?fù)湮飸B(tài)的量子算法，一直是國際上懸而未決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

針對這一問題，激光光譜研究所研究團(tuán)隊(duì)首次提出并驗(yàn)證了基于單比特和兩比特量子門組成的量子算法，可實(shí)現(xiàn)對自旋軌道耦合和拓?fù)湮飸B(tài)的數(shù)字量子模擬和探測。如圖1，通過量子信息處理器中的量子比特來模擬自旋，利用單比特和兩比特量子門組成的量子線路來模擬自旋軌道耦合哈密頓量的含時(shí)演化。研究表明，拓?fù)洳蛔兞亢屯負(fù)溥吔鐟B(tài)都可以被數(shù)字量子模擬器探測和觀察。如圖2，研究團(tuán)隊(duì)在8量子比特的IBM量子信息處理器上，設(shè)計(jì)了產(chǎn)生拓?fù)湮飸B(tài)的量子算法，實(shí)驗(yàn)觀察并區(qū)分了拓?fù)浔Ｗo(hù)的零能和Pi能邊界態(tài)，成功地實(shí)現(xiàn)了拓?fù)湮飸B(tài)的數(shù)字量子模擬。

這項(xiàng)工作獲得了量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、極端光學(xué)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)基金的支持。