中科大团队在光量子模拟和拓扑量子计算研究中取得重要进展

根据中国科技大学官网消息，近日，中科大团队郭光灿团队李传锋、韩永建、许金时等人与英国利兹大学教授Jiannis Pachos合作，模拟展示了一种基于仲费米子零模编织操作和魔术态萃取实现拓扑量子计算的方法。

研究团队使用自主设计搭建的多模式光量子模拟器，研究了仲费米子零模的量子统计和量子互文性质。实验结果显示仲费米子零模编织过程对局域噪声免疫，并且保持量子互文资源守恒，因此有望通过编织操作和魔术态萃取等手段进行普适、容错的量子计算。

该研究发表在国际知名学术期刊《PRX Quantum》上，并被选为编辑推荐文章。论文标题为“Topological Contextuality and Anyonic Statistics of Photonic-Encoded Parafermions”。

“量子计算最大的挑战是量子比特容易被外界干扰而失去量子性。对此，有两种解决思路：一种是通过纠错比特，另一种是通过物理机制提高抗干扰性。这两种并不矛盾。目前从物理机制上能够实现一定程度抗干扰的是拓扑量子计算。”一名相关领域的研究者对澎湃新闻记者表示。

拓扑量子计算需要“任意子”，这种准粒子限制在二维空间中。任意子可分为阿贝尔或非阿贝尔的。当两个非阿贝尔任意子位置交换时，系统波函数会经历一个幺正演化，因此，可通过任意子的编织操作构造容错的量子门，从而实现拓扑量子计算。

实现非阿贝尔任意子最有希望的方向是马约拉纳零模（MZM）。然而，至今为止没有实验能明确验证马约拉纳零模存在。除实验困难外，马约拉纳零模体系还有两个缺点：一是它们的编织不足以在拓扑保护下实现通用量子门，二是一种名为准粒子中毒的机制可能会严重降低其相干时间，从而影响该体系的量子计算能力。

李传锋、韩永建、许金时等人在前期关于马约拉纳零模体系的工作基础上研究了新型非阿贝尔任意子的性质。研究组使用光量子模拟器研究了马约拉纳零模的推广——仲费米子零模的特性。仲费米子零模具有三重简并的基态并且天然地免疫准粒子中毒等退相干因素。

光量子模拟研究仲费米子编织和互文特性的概念图

研究组借助一种非定域的数学变换，将一条包含两个仲费米子零模的仲费米子链编码成一个多模式马赫-曾德尔干涉仪中光子的波函数。研究组利用不同模式间光子的干涉以及相应激发模式的耗散，在光量子模拟器中展现了仲费米子零模的编织统计和拓扑抗噪性质。编织操作的过程保真度达到93.4%。

仲费米子零模的编织操作本身只能实现一类称为Clifford的门操作。为了实现普适的量子计算，可以使用魔术态萃取生成non-Clifford门操作，而魔术态萃取的必要资源是量子互文性。研究组发现，仲费米子零模中的量子互文资源在局域噪声下受到拓扑保护几乎保持不变，而且在编织操作前后，量子互文资源也是一个守恒量。因此可以在编织操作中穿插进行魔术态萃取，从而在仲费米子零模体系中实现容错的普适量子计算。

论文表示，该研究工作刻画了仲费米子零模的编织特性和量子互文性质，为拓扑量子计算的实现提供一种可行的物理途径。

审稿人评价：该工作利用光子模拟器可靠地展示了仲费米子编织现象。研究组已在该领域发表了多篇论文，并正在引领一个新的研究方向：利用光量子模拟来展示迄今为止在凝聚态系统中无法观测到的一系列凝聚态现象。