近日，山西大學激光光譜研究所梅鋒教授研究團隊在國際上首次實現(xiàn)了拓撲保護的量子線路和拓撲物態(tài)的數(shù)字量子模擬，相關研究成果“Digital Simulation of Topological Matter on Programmable Quantum Processors”于2020年10月15日發(fā)表在物理學頂級學術期刊《物理評論快報》（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、肖連團教授、南京大學朱詩亮教授以及華南師范大學於亞飛副教授。 Y_}_)n
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拓撲物態(tài)是數(shù)學中的拓撲學概念在物理系統(tǒng)中的體現(xiàn)，拓撲物態(tài)具有全新的拓撲保護物性，可用來實現(xiàn)能量和信息的無損耗單向傳播，可用于實現(xiàn)拓撲保護的大規(guī)模容錯量子計算。近年來，利用人工量子體系模擬拓撲物態(tài)，成為國際上的前沿研究熱點。量子模擬分為類比量子模擬和數(shù)字量子模擬。對于拓撲物態(tài)的量子模擬，目前的研究主要集中于類比量子模擬，如何實現(xiàn)拓撲物態(tài)的數(shù)字量子模擬，即模擬拓撲物態(tài)的量子算法，一直是國際上懸而未決的關鍵科學問題。 kdWUz(  
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針對這一問題，激光光譜研究所研究團隊首次提出并驗證了基于單比特和兩比特量子門組成的量子算法，可實現(xiàn)對自旋軌道耦合和拓撲物態(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演化。研究表明，拓撲不變量和拓撲邊界態(tài)都可以被數(shù)字量子模擬器探測和觀察。如圖2，研究團隊在8量子比特的IBM量子信息處理器上，設計了產(chǎn)生拓撲物態(tài)的量子算法，實驗觀察并區(qū)分了拓撲保護的零能和Pi能邊界態(tài)，成功地實現(xiàn)了拓撲物態(tài)的數(shù)字量子模擬。 ?S'aA
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這項工作獲得了量子光學與光量子器件國家重點實驗室、極端光學省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目以及國家自然科學基金的支持。 )"?eug}D  
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論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.160503