中国科大利用量子模拟揭示马约拉纳费米子的量子统计特性

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室在马约拉纳费米子研究方面取得新进展。该实验室李传锋、许金时、韩永建等与其合作者利用线性光学量子模拟器，首次实验揭示了马约拉纳费米子的非阿贝尔量子统计特性，并进一步演示了编码到马约拉纳零模的量子信息对局域噪声的免疫特性，为实现拓扑量子计算提供了一种有效的途径。该研究成果于10月25日发表在《自然-通讯》上。文章第一作者为许金时。

　　量子力学教科书告诉我们，微观粒子分为费米子和玻色子两类，他们可以用两个全同粒子交换后总体波函数的变化加以区分。如果两个全同粒子的整体波函数在交换后不变，则是玻色子，符合玻色-爱因斯坦统计，比如光子等；如果交换后的整体波函数多出一个负号，则是费米子，符合费米-狄拉克统计，比如电子等。这些交换后仅仅多出一个整体相位的粒子都满足阿贝尔量子统计。然而大自然奥妙无穷，还可能存在另一类粒子，它们交换之后整个的波函数会经历一个幺正变换（不仅仅是多出一个整体的相位）。1937年，意大利物理学家马约拉纳基于相对论和量子力学提出了一种新奇粒子，现在称为马约拉纳费米子。马约拉纳费米子的反粒子是其自身，更令人瞩目的是它具有非阿贝尔量子统计特性，即两个马约拉纳费米子交换后等价于对总体波函数做一个幺正变换。

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马约拉纳费米子交换示意图

　　马约拉纳费米子提出近80年来，科学家们一直致力于寻找这一神秘的粒子。有人猜测中微子可能是一种马约拉纳费米子，可是要交换两个中微子验证其量子统计特性是极其困难的。近年来的理论研究表明，凝聚态系统中的马约拉纳零模是具有马约拉纳费米子特性的准粒子，它是实现长时间量子存储和拓扑量子计算的理想载体。实现马约拉纳零模的交换是确定它的统计特性以及实现拓扑量子计算的关键步骤。尽管在凝聚态系统中实验物理学家们进行了长期的探索研究，已找到一些表明马约拉纳零模存在的证据，但依然没有实现关键性的交换操作和量子统计特性的研究。

　　量子模拟器是专用的量子计算机，通过设计专门的量子逻辑线路有效地解决特殊的问题。李传锋研究组近年来自主研发出线性光学量子模拟器并取得一系列研究进展，积累了丰富的经验。该实验中他们巧妙地设计出一个基于耗散的四量子比特（三个工作比特加一个辅助比特）的线性光学量子模拟器，利用它有效地产生Kitaev模型（存在马约拉纳零模的最简单模型）中的马约拉纳零模，并通过耗散过程有效地移动马约拉纳零模，进而完成两个马约拉纳零模的交换操作，并由此验证了马约拉纳零模的非阿贝尔统计特性。他们还进一步演示了编码到马约拉纳零模的量子信息对局域噪声的免疫特性。实验中每项模拟过程的保真度都在94%以上。

　　该成果对量子统计、拓扑量子计算和马约拉纳费米子的研究具有重要的推动作用。同时，这种基于耗散的量子模拟器也拓展了线性光学量子模拟器的能力。

　　该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

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