中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在光量子模擬和拓?fù)淞孔佑?jì)算研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、韓永建、許金時(shí)等人與英國(guó)利茲大學(xué)教授Jiannis Pachos合作，模擬展示了一種基于仲費(fèi)米子零模編織操作和魔術(shù)態(tài)萃取實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的方法。研究團(tuán)隊(duì)使用自主設(shè)計(jì)搭建的多模式光量子模擬器，研究了仲費(fèi)米子零模的量子統(tǒng)計(jì)和量子互文性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示仲費(fèi)米子零模編織過(guò)程對(duì)局域噪聲免疫，并且保持量子互文資源守恒，因此有望通過(guò)編織操作和魔術(shù)態(tài)萃取等手段進(jìn)行普適、容錯(cuò)的量子計(jì)算。該成果8月9日以研究長(zhǎng)文的形式在線(xiàn)發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊《PRX Quantum》上，并被選為編輯推薦文章(Editor’s suggestion)。

按照量子力學(xué)原理，三維空間中交換兩個(gè)全同的玻色子或費(fèi)米子位置時(shí)，系統(tǒng)波函數(shù)只會(huì)出現(xiàn)整體相位；然而，二維拓?fù)湎到y(tǒng)中允許存在性質(zhì)奇特的“任意子”。當(dāng)兩個(gè)非阿貝爾任意子位置交換時(shí)，系統(tǒng)波函數(shù)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)幺正演化，因此，可通過(guò)任意子的編織操作構(gòu)造容錯(cuò)的量子門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。 最廣為人知的非阿貝爾任意子是馬約拉納零模。然而，盡管馬約拉納零模的實(shí)驗(yàn)制備一直是研究熱點(diǎn)，迄今為止仍然沒(méi)有實(shí)驗(yàn)?zāi)苊鞔_驗(yàn)證它的存在。除實(shí)驗(yàn)困難外，馬約拉納零模體系還有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是它們的編織不足以在拓?fù)浔Ｗo(hù)下實(shí)現(xiàn)通用量子門(mén)，二是一種名為準(zhǔn)粒子中毒的機(jī)制可能會(huì)嚴(yán)重降低其相干時(shí)間，從而影響該體系的量子計(jì)算能力。

李傳鋒、韓永建、許金時(shí)等人在前期關(guān)于馬約拉納零模體系的工作基礎(chǔ)上[Nat. Commun. 7, 13194 (2016); Sci. Adv. 4, eaat6533 (2018)],研究了新型非阿貝爾任意子的性質(zhì)。研究組使用光量子模擬器研究了仲費(fèi)米子零模的特性。仲費(fèi)米子零模是馬約拉納零模的推廣，它具有三重簡(jiǎn)并的基態(tài)并且天然地免疫準(zhǔn)粒子中毒等退相干因素。借助一種非定域的數(shù)學(xué)變換，研究組將一條包含兩個(gè)仲費(fèi)米子零模的仲費(fèi)米子鏈編碼成一個(gè)多模式馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x中光子的波函數(shù)。利用不同模式間光子的干涉以及相應(yīng)激發(fā)模式的耗散，研究組在光量子模擬器中展現(xiàn)了仲費(fèi)米子零模的編織統(tǒng)計(jì)和拓?fù)淇乖胄再|(zhì)。編織操作的過(guò)程保真度達(dá)到93.4%。

仲費(fèi)米子零模的編織操作本身只能實(shí)現(xiàn)一類(lèi)稱(chēng)為Clifford的門(mén)操作。為了實(shí)現(xiàn)普適的量子計(jì)算，可以使用魔術(shù)態(tài)萃取生成non-Clifford門(mén)操作，而魔術(shù)態(tài)萃取的必要資源是量子互文性。研究組發(fā)現(xiàn)，仲費(fèi)米子零模中的量子互文資源在局域噪聲下受到拓?fù)浔Ｗo(hù)幾乎保持不變，而且在編織操作前后，量子互文資源也是一個(gè)守恒量。因此可以在編織操作中穿插進(jìn)行魔術(shù)態(tài)萃取，從而在仲費(fèi)米子零模體系中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的普適量子計(jì)算。

光量子模擬研究仲費(fèi)米子編織和互文特性的概念圖

本工作刻畫(huà)了仲費(fèi)米子零模的編織特性和量子互文性質(zhì)，為拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)提供一種可行的物理途徑。審稿人高度評(píng)價(jià)該工作：“The manuscript … is a solid demonstration of the signatures of parafermionic braiding using a photonic simulator. The group has published several papers in this space and is spearheading a novel research direction of simulating these condensed matter phenomena that are to date unattainable in condensed matter systems themselves through the use of a quantum emulation on a photonic system. As such the paper here presents novel physics and a demonstration of an extension of their previously developed and published techniques for simulating Majorana fermion statistics�！�(該工作利用光子模擬器可靠地展示了仲費(fèi)米子編織現(xiàn)象。研究組已在該領(lǐng)域發(fā)表了多篇論文，并正在引領(lǐng)一個(gè)新的研究方向：利用光量子模擬來(lái)展示迄今為止在凝聚態(tài)系統(tǒng)中無(wú)法觀測(cè)到的一系列凝聚態(tài)現(xiàn)象。該工作不僅展示了全新的物理機(jī)制，而且擴(kuò)展了他們先前對(duì)馬約拉納費(fèi)米子體系的研究。)

論文共同第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生劉正昊和和特任副研究員孫凱。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國(guó)科學(xué)院的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.2.030323