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50步的量子计算行走,郭光灿团队再次推进拓扑物态领域核心研究

拓扑物态是由量子计算效应导致的与某些拓扑性质相联系的新物态,是近10年来凝聚态物理领域内最为重要和快速发展的前沿热点之一,其影响力已从凝聚态物理研究辐射到整个物理学,乃至化学、材料学、信息学、生物学、电子技术、半导体技术、能源技术等广阔的领域。

50步的量子计算行走,郭光灿团队再次推进拓扑物态领域核心研究

当时,诺贝尔评奖委员会成员对此评论说,“他们的理论研究为我们打开了一个全新的物质世界”。包括许多业界人士以及物理学研究人员都对其工作成果表示了相当的肯定,可谓是“实至名归”。

拓扑物态的出现为人类带来了全新的丰富拓扑物性,例如:拓扑边界态、手征对称性、无耗散、非定域响应、拓扑保护等等,有些特性是在以前的凝聚态物理研究中从未遇到的。

其对环境细节不敏感的独特特性,可实现能量和信息的无损耗传播,这将彻底颠覆我们现有的电子、信息和半导体技术,有望产生基于全新概念的电子和自旋器件、磁电和热电材料及器件、拓扑量子计算器件等,从而推动物理学、化学界、材料学甚至整个技术体系跨越式进步。

这也是近10年来,欧美日等强国竞相加大量子计算与拓扑物态研究,力争抢占该领域制高点的原因。

  中国量子计算与拓扑物态研究起步晚但是发展迅速

中国在该领域的研究虽然起步较晚,但是发展非常快,迅速占据了世界领先的位置。无论是在理论计算研究方面,还是在实验研究方面,中国的科学家们都做出了重要贡献,在一定程度上引领了该领域的国际进展。

清华大学的薛其坤研究团队在2014年成功实现了一种叫做“拓扑绝缘体”的薄层物质。这种物质的内部是绝缘的,表面却是超导的。并且,电子在它的表面只能单向运动,仿佛建立了一条快速的单行车道。这种奇怪的特性有可能帮助我们解决计算机芯片的散热问题。

2017年7月31日,东南大学物理学院薛鹏教授团队首次在开放系统中实验实现宇称-时间对称的量子行走,并观测到新型一维拓扑保护边界态,为基于量子行走平台实现量子计算提供了新的依据。

根据拓扑物态领域的SCI论文统计数据,在论文的数量和质量(引用率)方面,中国在该领域的国际地位仅次于美国,位居世界第二

50步的量子计算行走,郭光灿团队再次推进拓扑物态领域核心研究

由于拓扑物态天然具有抵抗局域退相干的能力,所以在实现量子信息任务中也具有潜在应用价值。拓扑物态在凝聚态和冷原子等系统中已有大量的实验研究。

近年来,量子行走系统越来越多地被用于研究具有自旋-轨道耦合的物理系统的拓扑性质。通常的方法是基于体-边界对应原理,通过对边界态的研究反推物理系统的体拓扑性质。

近日,由中国科技大学郭光灿院士带领的研究团队通过多年尝试,成功建成了可以进行大规模量子行走的量子光学实验系统。

团队中李传锋、韩永建、许小冶等人不仅提出基于时间复用的新型量子行走方案,更通过巧妙设计,成功实现对光学量子行走系统末态波函数的完整重构,解决了直接观测系统完全测定基态波函数的难点问题,直接读取具有手征对称的量子行走的体拓扑不变量。

李传锋、许小冶等人所设计的系统,基于时间复用的共线干涉框架,使用共线切割的双折射晶体实现自旋-轨道耦合,避免了额外的光子损耗。这种新型的设计使得试验整体系统非常稳定,特别适合实现基于光子的大规模量子行走。

此次,研究团队不仅首次在量子行走中对拓扑不变量进行了直接测量,更以0.945的高保真度演示了基于可预报单光子的50步的量子行走。

此次试验的成功,不仅为未来基于量子行走平台实现量子计算提供了新的依据,对于进一步研究拓扑物态提供了重要应用价值,更是我国科研人员不断努力、创新,引领量子信息领域技术进步的体现。

本文由量客专栏作者Yunwuxian整理发布,转载请注明出处:https://www.qtumist.com/post/2821

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