中科大设计出设计出基于简并光腔系统的量子模拟平台

中国科学技术大学教授、中国科学院院士郭光灿领导的中国科学院量子信息重点实验室在量子模拟方向取得创新性进展。该实验室的周正威、周幸祥、李传锋等人设计出一种特殊的一维级联简并光腔系统，通过对腔中具有轨道角动量自由度的光子进行探测，可以有效地模拟二维拓扑物理的各种现象。相关研究工作于7月6日发表在Nature Communications上，博士生罗希望为文章的第一作者。

量子模拟是量子信息领域一个非常重要而富有活力的研究方向，它可以在人工平台上构建虚拟的量子材料或物理模型，模拟物理模型在极端物理条件下的性质。目前国际上主要在冷原子、离子阱、集成光子学等系统进行上述的研究。

周正威等人从理论上构建了一个新型的量子模拟研究平台，可以仿真格点上的玻色子系统在各种人工规范场下的物理。其基本思想是设计一个能够容纳非常多模式且每个模式能量相同的简并光腔。在这里，这些简并模式是光学Laguerre-Gaussian模式中的轨道角动量自由度。通过诱导不同模式之间的隧穿，原则上，在一个简并光腔系统中可以模拟一维耦合的谐振子链。通过级联若干个简并光腔，则可以模拟二维格点上的玻色子系统。在这项研究中，他们设计了如何在级联简并腔系统中模拟人工的阿贝尔、非阿贝尔规范场，以及如何探测能带中Bloch波的性质，进而探测能带陈数、边缘模等拓扑不变量；如何模拟拓扑量子相变。

这个新颖的平台不仅可模拟丰富的物理内容，而且在物理实现上与相近的系统相较，有着明显的优势。传统的采用单模光腔级联的物理系统，由于使用的物理资源过多，太多的噪声因素使得物理实现几乎不可能。比如，为了模拟10*100的格点系统，物理上需要1000个级联的单模光腔来实现一个二维阵列。而该平台只需要10个简并光腔。另外，采用硅基光子学芯片虽然可增加物理实现性，但却降低了系统的可调节性，大大减少了在同一平台上可模拟的物理模型的数目。可见，该模拟平台可以在使用很少物理资源的前提下，模拟非常丰富的物理内容。审稿人认为，作者的方案如若在实验上成功实现，“将对量子模拟领域产生重大的冲击。”

这项工作得到国家基金委、中科院、科技部和教育部的资助。

能够容纳多个轨道角动量模式的“简并光学腔”，它们级联在一起可以模拟粒子在二维规范场中的行为。