山西大学在量子计算和量子模拟领域取得重要进展

近日，山西大学激光光谱研究所梅锋教授研究团队在国际上首次实现了拓扑保护的量子线路和拓扑物态的数字量子模拟，相关研究成果“Digital Simulation of Topological Matter on Programmable Quantum Processors”于2020年10月15日发表在物理学顶级学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。梅锋教授为该论文的第一作者和共同通讯作者。论文主要合作者还包括我校贾锁堂教授、肖连团教授、南京大学朱诗亮教授以及华南师范大学於亚飞副教授。 '$4o,GA8  
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拓扑物态是数学中的拓扑学概念在物理系统中的体现，拓扑物态具有全新的拓扑保护物性，可用来实现能量和信息的无损耗单向传播，可用于实现拓扑保护的大规模容错量子计算。近年来，利用人工量子体系模拟拓扑物态，成为国际上的前沿研究热点。量子模拟分为类比量子模拟和数字量子模拟。对于拓扑物态的量子模拟，目前的研究主要集中于类比量子模拟，如何实现拓扑物态的数字量子模拟，即模拟拓扑物态的量子算法，一直是国际上悬而未决的关键科学问题。 (&+ ~hW5d  
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针对这一问题，激光光谱研究所研究团队首次提出并验证了基于单比特和两比特量子门组成的量子算法，可实现对自旋轨道耦合和拓扑物态的数字量子模拟和探测。如图1，通过量子信息处理器中的量子比特来模拟自旋，利用单比特和两比特量子门组成的量子线路来模拟自旋轨道耦合哈密顿量的含时演化。研究表明，拓扑不变量和拓扑边界态都可以被数字量子模拟器探测和观察。如图2，研究团队在8量子比特的IBM量子信息处理器上，设计了产生拓扑物态的量子算法，实验观察并区分了拓扑保护的零能和Pi能边界态，成功地实现了拓扑物态的数字量子模拟。 !,INrl[  
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这项工作获得了量子光学与光量子器件国家重点实验室、极端光学省部共建协同创新中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目以及国家自然科学基金的支持。 /dhw~|  
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论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.160503