中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子模擬方向取得創(chuàng)新性進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室的周正威、周幸祥、李傳鋒等人設(shè)計(jì)出一種特殊的一維級聯(lián)簡并光腔系統(tǒng)，通過對腔中具有軌道角動量自由度的光子進(jìn)行探測，可以有效地模擬二維拓?fù)湮锢淼母鞣N現(xiàn)象。相關(guān)研究工作于7月6日發(fā)表在Nature Communications上，博士生羅希望為文章的第一作者。
量子模擬是量子信息領(lǐng)域一個非常重要而富有活力的研究方向，它可以在人工平臺上構(gòu)建虛擬的量子材料或物理模型，模擬物理模型在極端物理?xiàng)l件下的性質(zhì)。目前國際上主要在冷原子、離子阱、集成光子學(xué)等系統(tǒng)進(jìn)行上述的研究。
周正威等人從理論上構(gòu)建了一個新型的量子模擬研究平臺，可以仿真格點(diǎn)上的玻色子系統(tǒng)在各種人工規(guī)范場下的物理。其基本思想是設(shè)計(jì)一個能夠容納非常多模式且每個模式能量相同的簡并光腔。在這里，這些簡并模式是光學(xué)Laguerre-Gaussian模式中的軌道角動量自由度。通過誘導(dǎo)不同模式之間的隧穿，原則上，在一個簡并光腔系統(tǒng)中可以模擬一維耦合的諧振子鏈。通過級聯(lián)若干個簡并光腔，則可以模擬二維格點(diǎn)上的玻色子系統(tǒng)。在這項(xiàng)研究中，他們設(shè)計(jì)了如何在級聯(lián)簡并腔系統(tǒng)中模擬人工的阿貝爾、非阿貝爾規(guī)范場，以及如何探測能帶中Bloch波的性質(zhì)，進(jìn)而探測能帶陳數(shù)、邊緣模等拓?fù)洳蛔兞?；如何模擬拓?fù)淞孔酉嘧儭?/div>
這個新穎的平臺不僅可模擬豐富的物理內(nèi)容，而且在物理實(shí)現(xiàn)上與相近的系統(tǒng)相較，有著明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的采用單模光腔級聯(lián)的物理系統(tǒng)，由于使用的物理資源過多，太多的噪聲因素使得物理實(shí)現(xiàn)幾乎不可能。比如，為了模擬10*100的格點(diǎn)系統(tǒng)，物理上需要1000個級聯(lián)的單模光腔來實(shí)現(xiàn)一個二維陣列。而該平臺只需要10個簡并光腔。另外，采用硅基光子學(xué)芯片雖然可增加物理實(shí)現(xiàn)性，但卻降低了系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性，大大減少了在同一平臺上可模擬的物理模型的數(shù)目。可見，該模擬平臺可以在使用很少物理資源的前提下，模擬非常豐富的物理內(nèi)容。審稿人認(rèn)為，作者的方案如若在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)，“將對量子模擬領(lǐng)域產(chǎn)生重大的沖擊。”
這項(xiàng)工作得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。
能夠容納多個軌道角動量模式的“簡并光學(xué)腔”，它們級聯(lián)在一起可以模擬粒子在二維規(guī)范場中的行為。
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