根據(jù)中國(guó)科技大學(xué)官網(wǎng)消息，近日，中科大團(tuán)隊(duì)郭光燦團(tuán)隊(duì)李傳鋒、韓永建、許金時(shí)等人與英國(guó)利茲大學(xué)教授Jiannis Pachos合作，模擬展示了一種基于仲費(fèi)米子零模編織操作和魔術(shù)態(tài)萃取實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的方法。

研究團(tuán)隊(duì)使用自主設(shè)計(jì)搭建的多模式光量子模擬器，研究了仲費(fèi)米子零模的量子統(tǒng)計(jì)和量子互文性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示仲費(fèi)米子零模編織過程對(duì)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(jìn)行普適、容錯(cuò)的量子計(jì)算。

該研究發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《PRX Quantum》上，并被選為編輯推薦文章。論文標(biāo)題為“Topological Contextuality and Anyonic Statistics of Photonic-Encoded Parafermions”。

“量子計(jì)算最大的挑戰(zhàn)是量子比特容易被外界干擾而失去量子性。對(duì)此，有兩種解決思路：一種是通過糾錯(cuò)比特，另一種是通過物理機(jī)制提高抗干擾性。這兩種并不矛盾。目前從物理機(jī)制上能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度抗干擾的是拓?fù)淞孔佑?jì)算?！币幻嚓P(guān)領(lǐng)域的研究者對(duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎尽?/p>

拓?fù)淞孔佑?jì)算需要“任意子”，這種準(zhǔn)粒子限制在二維空間中。任意子可分為阿貝爾或非阿貝爾的。當(dāng)兩個(gè)非阿貝爾任意子位置交換時(shí)，系統(tǒng)波函數(shù)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)幺正演化，因此，可通過任意子的編織操作構(gòu)造容錯(cuò)的量子門，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算。

實(shí)現(xiàn)非阿貝爾任意子最有希望的方向是馬約拉納零模（MZM）。然而，至今為止沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)苊鞔_驗(yàn)證馬約拉納零模存在。除實(shí)驗(yàn)困難外，馬約拉納零模體系還有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是它們的編織不足以在拓?fù)浔Ｗo(hù)下實(shí)現(xiàn)通用量子門，二是一種名為準(zhǔn)粒子中毒的機(jī)制可能會(huì)嚴(yán)重降低其相干時(shí)間，從而影響該體系的量子計(jì)算能力。

李傳鋒、韓永建、許金時(shí)等人在前期關(guān)于馬約拉納零模體系的工作基礎(chǔ)上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馬約拉納零模的推廣——仲費(fèi)米子零模的特性。仲費(fèi)米子零模具有三重簡(jiǎn)并的基態(tài)并且天然地免疫準(zhǔn)粒子中毒等退相干因素。

光量子模擬研究仲費(fèi)米子編織和互文特性的概念圖

研究組借助一種非定域的數(shù)學(xué)變換，將一條包含兩個(gè)仲費(fèi)米子零模的仲費(fèi)米子鏈編碼成一個(gè)多模式馬赫-曾德爾干涉儀中光子的波函數(shù)。研究組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，在光量子模擬器中展現(xiàn)了仲費(fèi)米子零模的編織統(tǒng)計(jì)和拓?fù)淇乖胄再|(zhì)。編織操作的過程保真度達(dá)到93.4%。

仲費(fèi)米子零模的編織操作本身只能實(shí)現(xiàn)一類稱為Clifford的門操作。為了實(shí)現(xiàn)普適的量子計(jì)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(fèi)米子零模中的量子互文資源在局域噪聲下受到拓?fù)浔Ｗo(hù)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(gè)守恒量。因此可以在編織操作中穿插進(jìn)行魔術(shù)態(tài)萃取，從而在仲費(fèi)米子零模體系中實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的普適量子計(jì)算。

論文表示，該研究工作刻畫了仲費(fèi)米子零模的編織特性和量子互文性質(zhì)，為拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)提供一種可行的物理途徑。

審稿人評(píng)價(jià)：該工作利用光子模擬器可靠地展示了仲費(fèi)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(gè)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(cè)到的一系列凝聚態(tài)現(xiàn)象。