量子世界再添引力子之后，复旦联合中科大给出拓扑量子计算的新方法

该方法将理论与实验结合，为实测拓扑序打下基础，助力量子计算的发展。

10月17日凌晨，复旦大学和中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室合作研究的最新成果发表在《自然·物理》（Nature Physics）杂志上。该研究利用自主创新研发的随机绝热法，首次实现了利用量子模拟识别了二维系统中的Z2拓扑序，为未来研究量子物质和实现量子计算打下了重要基础。

引力波与量子

在介绍量子计算之前，值得关注的是引力波之于“量子”概念的意义。

引力波的发现，揭示了我们的空间是一个可以被扭曲的媒介。可这一媒介的微观结构是什么？空间的本质是什么？

为了回答这一问题，我们注意到，空间不仅仅能够承载满足爱因斯坦方程的引力波，它还能承载满足麦克斯韦方程的光波，承载满足狄拉克方程的电子波，承载满足杨-米尔斯方程的胶子波等。空间的微观结构应当非常丰富，使得它能够演生出所有的基本粒子(也就是承载所有基本粒子所对应的波)。

我们知道，所有的基本粒子被称为量子，而世界的所有物质都是由基本粒子组成。目前，基本粒子包括两种：费米子和玻色子。电子、夸克、质子、中子等等是费米子，它们形成了原子，进而组成了各种各样的物质；光子、胶子、引力子等等是玻色子，所有的相互作用都由它们来传递，如像光子传递电磁相互作用，而胶子传递夸克之间的强相互作用。

现如今，引力波的证实又为量子世界增添新成员：引力子，而引力子对应的是时空。

所以，引力波的证实使得量子这一概念实现了世界的大一统。

量子计算与拓扑序

最初，拓扑序概念的引入是为了推广发展一些新的物质态，所以拓扑序的应用初衷是在材料上，比如说有些拓扑序材料的边界具有零电阻，这种材料在电子器件上会有很多应用。

现如今，随着量子计算领域的发展，一个最大的问题浮出水面：量子计算机受环境影响非常严重，而拓扑序成为这一问题的解决方案，因为拓扑序衍生出的量子比特自动不受环境影响，所以拓扑量子计算自然而然就可以屏蔽环境的影响。

此次，研究人员给出了识别拓扑序的新方法，简化了拓扑量子计算。

研究成果

实验中，研究人员利用量子模拟的方法设计并演示了在不需要基态解析解的先验知识下，也就是只需系统哈密顿量形式也能直接测量和重构出具有拓扑特征的S、T矩阵，并识别出拓扑相，获得其拓扑指纹。

同时，研究人员在被研究体系哈密顿量中引入偏离精确可解模型的失谐项和破坏所有意外对称性的无序项，模拟了一类具有非零关联长度的不可解自旋模型，进一步成功地利用模矩阵的突变实验验证了这类拓扑序存在的鲁棒性以及相空间中的相变点。

另外，实验结合并改良了实验组研发的新颖技巧，利用随机绝热法制备线性独立的基态组，制备中仅仅需要被研究体系哈密顿量的近似点群对称性的信息，克服了先前量子模拟实验中需要直接制备按照可解模型求得的基态的困难。

据万义顿教授介绍，关于这一课题的想法可以追溯到三年前。当时，研究团队在严格可解的模型中得出了初步结果。随后，团队将关注点转移到可解模型之外，进行了新的理论研究，最终发现已经探究出来的方法适用于非严格可解模型这样更为一般的情形。

总结

据了解，该成果由复旦大学物理学系孔令欣团队和万义顿团队同中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、彭新华团队共同研究。文章第一作者为中科大微观磁共振重点实验室博士生罗智煌，孔令欣、万义顿和彭新华为通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、上海市科学技术委员会和中科院的资助。

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