中国科大在量子计算和模拟研究领域获重要进展

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最近，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等在国际上首次通过量子调控的方法在超冷原子体系中发现了拓扑量子物态中的准粒子--任意子，并通过主动控制两类任意子之间的交换和编织，证实了任意子的分数统计特性，向着实现拓扑量子计算的方向迈出了重要一步。近日，国际权威学术期刊《自然物理学》以研究长文的形式在线发表了这项重要研究成果。

(a)　 光晶格中的原子自旋纠缠态示意图　

(b) 任意子编织的示意图

组成物质世界的基本粒子通常根据其携带的自旋分为两类，即自旋为整数的玻色子（如光子）和自旋为半整数的费米子（如电子）。然而，1977年，挪威科学家Leinaas和Myrheim提出一个令人惊讶的理论：在二维空间中存在某种粒子，其行为服从介于玻色统计和费米统计之间的新的分数统计（Fractional Statistics）。由这类奇异粒子构成的物理系统，其波函数在两粒子坐标交换的情况下不体现对称或反对称性，而是获得一个任意的相位因子。因此，美国物理学家、2004年诺贝尔物理学奖得主Wilczek将该类准粒子命名为“任意子”（Anyon）。

　　 任意子的理论被提出后不久，物理学家就在实验上捕捉到了它的踪迹。1982年，美国华裔科学家崔琦等在二维电子气中发现分数量子霍尔效应，也籍此获得1998年的诺贝尔物理学奖；之后，国际上一些研究小组又通过一系列实验观测到任意子具有分数电荷的特征，并发现这些分数的大小与材料的拓扑性质有关，材料的拓扑性质不同，产生的分数拓扑相位也跟着变化。然而，如何直接实验观测任意子交换时产生的拓扑相位进而验证其分数统计特性，一直是一个巨大的实验挑战。

1997年，正在人们着迷于研究任意子的基本物理性质的时候，时任朗道理论物理所研究员、2016年基础科学突破奖得主Kitaev提出另一个大胆的想法：能否利用拓扑材料作为量子比特从物理层面抑制退相干从而保护量子比特、并操控材料中的任意子进行量子计算？他随即发展了一套基于任意子编织的拓扑量子计算理论，很快引起了量子物理学家的关注。之后的理论研究表明，拓扑量子计算的容错能力比之前最好的基于纠错码的量子计算提升了约3个数量级，达到了约1%，该容错率是目前实验技术能够达到的水平，这极大地激发了科学家们研制量子计算机的热情。

潘建伟研究团队十多年前就开始了拓扑量子计算的实验研究并取得了一系列研究成果，这包括使用六光子纠缠态模拟了任意子交换的分数统计特性[Phys. Rev. Lett. 102, 030502 (2009)]和使用八光子纠缠态构建了拓扑量子纠错码[Nature 482, 489 (2012)]。上述实验中，由于光子之间不存在相互作用，并未形成Kitaev模型中的拓扑物态，因此在物理层面不具备拓扑保护能力。能否实验制备Kitaev模型所描述的拓扑物态并观测其中的任意子统计，成为量子信息科学中亟待解决的一个重大问题。

针对这一重大问题，该研究团队创造性地搭建了新的实验系统和开发了独特的量子调控技术。Kitaev模型对应的拓扑物态需要粒子之间的相互作用为四体相互作用，而自然界中存在的物质内部粒子相互作用以两体相互作用为主，此前人们从未在任何物质中直接观测到四体相互作用。该团队选择了构建人工量子晶体来实现这一特殊的粒子间相互作用，研发了自旋依赖的超晶格系统来囚禁和操控超冷原子，并在晶格中巧妙地用光极化势形成了有效磁场梯度，抑制了晶格中存在的两体相互作用，使四体相互作用凸显并成为主导该物理系统的主要相互作用，成功操控光晶格中约800个超冷原子同时产生了约200个四原子自旋纠缠态；为了观测晶格中超冷原子的动力学行为，他们开发了高分辨的原位光吸收成像技术，首次观测到了四体环交换相互作用并演示了对此相互作用进行量子调控的能力；进而构建了Kitaev模型的最基本单元哈密顿量，通过微波反转原子自旋的方法，实现了任意子之间的编织交换过程，首次在光晶格体系中直接观测到了任意子交换产生的分数拓扑相位，是Kitaev理论模型提出20年后该体系中任意子分数统计特性的最直接的实验证明。

该研究成果的实现，为人们进一步研究任意子的拓扑性质提供了新的实验平台和手段，将推动拓扑量子计算和晶格规范场量子模拟领域的研究进展。该工作的预印本在arXiv网站一经公布，即获得了学术界同行的广泛兴趣和高度评价，如量子信息领域的国际著名学者、2013年沃尔夫物理学奖获得者Zoller等在《自然·物理》发表的综述文章对该工作的评价为：“使用冷原子实现了一个最小的Kitaev toric-code哈密顿量；这个系统显现了任意子分数统计特性，是拓扑相存在的明白无误的证据。” (“Very recently, ref. 119 reported on the implementation of a minimal toric-code Hamiltonian with cold atoms; this set-up exhibits fractional (anyonic) statistics, an unambiguous signature of topological phases.”)

该工作得到科技部、自然科学基金委、教育部、中科院等单位的资助。

论文链接：H. N. Dai et al., Four-body ring-exchange interactions and anyonic statistics within a minimal toric-code Hamiltonian, Nature Physics (2017). DOI:10.1038/nphys4243

该研究团队近年来的相关工作：

H.-N. Dai, et. al. Generation and Detection of Atomic Spin Entanglement in Optical Lattices, Nat. Phys. 12, 783-787 (2016).

X.-C. Yao, et. al. Experimental demonstration of topological error correction, Nature 482, 489 (2012).

C.-Y. Lu, et. al. Demonstrating anyonic fractional statistics with a six-qubit quantum simulator,Phys. Rev. Lett. 102, 030502(2009).

（中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室、量子信息和量子科技前沿创新中心、合肥微尺度物质科学国家实验室、物理学院、科研部）

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