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中國科大郭光燦院士團隊在光量子模擬和拓撲量子計算研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、韓永建、許金時等人與英國利茲大學(xué)教授Jiannis Pachos合作，模擬展示了一種基于仲費米子零模編織操作和魔術(shù)態(tài)萃取實現(xiàn)拓撲量子計算的方法。研究團隊使用自主設(shè)計搭建的多模式光量子模擬器，研究了仲費米子零模的量子統(tǒng)計和量子互文性質(zhì)。實驗結(jié)果顯示仲費米子零模編織過程對局域噪聲免疫，并且保持量子互文資源守恒，因此有望通過編織操作和魔術(shù)態(tài)萃取等手段進行普適、容錯的量子計算。該成果8月9日以研究長文的形式在線發(fā)表在美國物理學(xué)會期刊《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全同的玻色子或費米子位置時，系統(tǒng)波函數(shù)只會出現(xiàn)整體相位；然而，二維拓撲系統(tǒng)中允許存在性質(zhì)奇特的“任意子”。當(dāng)兩個非阿貝爾任意子位置交換時，系統(tǒng)波函數(shù)會經(jīng)歷一個幺正演化，因此，可通過任意子的編織操作構(gòu)造容錯的量子門，從而實現(xiàn)拓撲量子計算。 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驗制備一直是研究熱點，迄今為止仍然沒有實驗?zāi)苊鞔_驗證它的存在。除實驗困難外，馬約拉納零模體系還有兩個缺點：一是它們的編織不足以在拓撲保護下實現(xiàn)通用量子門，二是一種名為準粒子中毒的機制可能會嚴重降低其相干時間，從而影響該體系的量子計算能力。

李傳鋒、韓永建、許金時等人在前期關(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米子零模的特性。仲費米子零模是馬約拉納零模的推廣，它具有三重簡并的基態(tài)并且天然地免疫準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仲費米子零模的仲費米子鏈編碼成一個多模式馬赫-曾德爾干涉儀中光子的波函數(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)了仲費米子零模的編織統(tǒng)計和拓撲抗噪性質(zhì)。編織操作的過程保真度達到93.4%。

仲費米子零模的編織操作本身只能實現(xiàn)一類稱為Clifford的門操作。為了實現(xiàn)普適的量子計算，可以使用魔術(shù)態(tài)萃取生成non-Clifford門操作，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)，仲費米子零模中的量子互文資源在局域噪聲下受到拓撲保護幾乎保持不變，而且在編織操作前后，量子互文資源也是一個守恒量。因此可以在編織操作中穿插進行魔術(shù)態(tài)萃取，從而在仲費米子零模體系中實現(xiàn)容錯的普適量子計算。

光量子模擬研究仲費米子編織和互文特性的概念圖

本工作刻畫了仲費米子零模的編織特性和量子互文性質(zhì)，為拓撲量子計算的實現(xiàn)提供一種可行的物理途徑。審稿人高度評價該工作：“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)一個新的研究方向：利用光量子模擬來展示迄今為止在凝聚態(tài)系統(tǒng)中無法觀測到的一系列凝聚態(tài)現(xiàn)象。該工作不僅展示了全新的物理機制，而且擴展了他們先前對馬約拉納費米子體系的研究。)

論文共同第一作者為中科院量子信息重點實驗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、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)院的資助。

論文鏈接：

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）