量子世界再添引力子之后，復旦聯(lián)合中科大給出拓撲量子計算的新方法

該方法將理論與實(shí)驗結合，為實(shí)測拓撲序打下基礎，助力量子計算的發(fā)展。

10月17日凌晨，復旦大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室合作研究的最新成果發(fā)表在《自然·物理》（Nature Physics）雜志上。該研究利用自主創(chuàng )新研發(fā)的隨機絕熱法，首次實(shí)現了利用量子模擬識別了二維系統中的Z2拓撲序，為未來(lái)研究量子物質(zhì)和實(shí)現量子計算打下了重要基礎。

引力波與量子

在介紹量子計算之前，值得關(guān)注的是引力波之于“量子”概念的意義。

引力波的發(fā)現，揭示了我們的空間是一個(gè)可以被扭曲的媒介?？蛇@一媒介的微觀(guān)結構是什么？空間的本質(zhì)是什么？

為了回答這一問(wèn)題，我們注意到，空間不僅僅能夠承載滿(mǎn)足愛(ài)因斯坦方程的引力波，它還能承載滿(mǎn)足麥克斯韋方程的光波，承載滿(mǎn)足狄拉克方程的電子波，承載滿(mǎn)足楊-米爾斯方程的膠子波等?？臻g的微觀(guān)結構應當非常豐富，使得它能夠演生出所有的基本粒子(也就是承載所有基本粒子所對應的波)。

我們知道，所有的基本粒子被稱(chēng)為量子，而世界的所有物質(zhì)都是由基本粒子組成。目前，基本粒子包括兩種：費米子和玻色子。電子、夸克、質(zhì)子、中子等等是費米子，它們形成了原子，進(jìn)而組成了各種各樣的物質(zhì)；光子、膠子、引力子等等是玻色子，所有的相互作用都由它們來(lái)傳遞，如像光子傳遞電磁相互作用，而膠子傳遞夸克之間的強相互作用。

現如今，引力波的證實(shí)又為量子世界增添新成員：引力子，而引力子對應的是時(shí)空。

所以，引力波的證實(shí)使得量子這一概念實(shí)現了世界的大一統。

量子計算與拓撲序

最初，拓撲序概念的引入是為了推廣發(fā)展一些新的物質(zhì)態(tài)，所以拓撲序的應用初衷是在材料上，比如說(shuō)有些拓撲序材料的邊界具有零電阻，這種材料在電子器件上會(huì )有很多應用。

現如今，隨著(zhù)量子計算領(lǐng)域的發(fā)展，一個(gè)最大的問(wèn)題浮出水面：量子計算機受環(huán)境影響非常嚴重，而拓撲序成為這一問(wèn)題的解決方案，因為拓撲序衍生出的量子比特自動(dòng)不受環(huán)境影響，所以拓撲量子計算自然而然就可以屏蔽環(huán)境的影響。

此次，研究人員給出了識別拓撲序的新方法，簡(jiǎn)化了拓撲量子計算。

研究成果

實(shí)驗中，研究人員利用量子模擬的方法設計并演示了在不需要基態(tài)解析解的先驗知識下，也就是只需系統哈密頓量形式也能直接測量和重構出具有拓撲特征的S、T矩陣，并識別出拓撲相，獲得其拓撲指紋。

同時(shí)，研究人員在被研究體系哈密頓量中引入偏離精確可解模型的失諧項和破壞所有意外對稱(chēng)性的無(wú)序項，模擬了一類(lèi)具有非零關(guān)聯(lián)長(cháng)度的不可解自旋模型，進(jìn)一步成功地利用模矩陣的突變實(shí)驗驗證了這類(lèi)拓撲序存在的魯棒性以及相空間中的相變點(diǎn)。

另外，實(shí)驗結合并改良了實(shí)驗組研發(fā)的新穎技巧，利用隨機絕熱法制備線(xiàn)性獨立的基態(tài)組，制備中僅僅需要被研究體系哈密頓量的近似點(diǎn)群對稱(chēng)性的信息，克服了先前量子模擬實(shí)驗中需要直接制備按照可解模型求得的基態(tài)的困難。

據萬(wàn)義頓教授介紹，關(guān)于這一課題的想法可以追溯到三年前。當時(shí)，研究團隊在嚴格可解的模型中得出了初步結果。隨后，團隊將關(guān)注點(diǎn)轉移到可解模型之外，進(jìn)行了新的理論研究，最終發(fā)現已經(jīng)探究出來(lái)的方法適用于非嚴格可解模型這樣更為一般的情形。

總結

據了解，該成果由復旦大學(xué)物理學(xué)系孔令欣團隊和萬(wàn)義頓團隊同中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室杜江峰、彭新華團隊共同研究。文章第一作者為中科大微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室博士生羅智煌，孔令欣、萬(wàn)義頓和彭新華為通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )和中科院的資助。

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