量子世界再添引力子之後，復旦聯合中科大給出拓撲量子計算的新方法
該方法將理論與實驗結合，為實測拓撲序打下基礎，助力量子計算的發展。
10月17日凌晨，復旦大學和中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室合作研究的最新成果發表在《自然·物理》（Nature Physics）雜誌上。該研究利用自主創新研發的隨機絕熱法，首次實現了利用量子模擬識別了二維繫統中的Z2拓撲序，為未來研究量子物質和實現量子計算打下了重要基礎。
引力波與量子
在介紹量子計算之前，值得關注的是引力波之於「量子」概念的意義。
引力波的發現，揭示了我們的空間是一個可以被扭曲的媒介。可這一媒介的微觀結構是什麼？空間的本質是什麼？
為了回答這一問題，我們注意到，空間不僅僅能夠承載滿足愛因斯坦方程的引力波，它還能承載滿足麥克斯韋方程的光波，承載滿足狄拉克方程的電子波，承載滿足楊-米爾斯方程的膠子波等。空間的微觀結構應當非常豐富，使得它能夠演生出所有的基本粒子(也就是承載所有基本粒子所對應的波)。
我們知道，所有的基本粒子被稱為量子，而世界的所有物質都是由基本粒子組成。目前，基本粒子包括兩種：費米子和玻色子。電子、夸克、質子、中子等等是費米子，它們形成了原子，進而組成了各種各樣的物質；光子、膠子、引力子等等是玻色子，所有的相互作用都由它們來傳遞，如像光子傳遞電磁相互作用，而膠子傳遞夸克之間的強相互作用。
現如今，引力波的證實又為量子世界增添新成員：引力子，而引力子對應的是時空。
所以，引力波的證實使得量子這一概念實現了世界的大一統。
量子計算與拓撲序
最初，拓撲序概念的引入是為了推廣發展一些新的物質態，所以拓撲序的應用初衷是在材料上，比如說有些拓撲序材料的邊界具有零電阻，這種材料在電子器件上會有很多應用。
現如今，隨著量子計算領域的發展，一個最大的問題浮出水面：量子計算機受環境影響非常嚴重，而拓撲序成為這一問題的解決方案，因為拓撲序衍生出的量子比特自動不受環境影響，所以拓撲量子計算自然而然就可以屏蔽環境的影響。
此次，研究人員給出了識別拓撲序的新方法，簡化了拓撲量子計算。
研究成果
實驗中，研究人員利用量子模擬的方法設計並演示了在不需要基態解析解的先驗知識下，也就是只需系統哈密頓量形式也能直接測量和重構出具有拓撲特徵的S、T矩陣，並識別出拓撲相，獲得其拓撲指紋。
同時，研究人員在被研究體系哈密頓量中引入偏離精確可解模型的失諧項和破壞所有意外對稱性的無序項，模擬了一類具有非零關聯長度的不可解自旋模型，進一步成功地利用模矩陣的突變實驗驗證了這類拓撲序存在的魯棒性以及相空間中的相變點。
另外，實驗結合併改良了實驗組研發的新穎技巧，利用隨機絕熱法製備線性獨立的基態組，製備中僅僅需要被研究體系哈密頓量的近似點群對稱性的信息，克服了先前量子模擬實驗中需要直接製備按照可解模型求得的基態的困難。
據萬義頓教授介紹，關於這一課題的想法可以追溯到三年前。當時，研究團隊在嚴格可解的模型中得出了初步結果。隨後，團隊將關注點轉移到可解模型之外，進行了新的理論研究，最終發現已經探究出來的方法適用於非嚴格可解模型這樣更為一般的情形。
總結
據了解，該成果由復旦大學物理學系孔令欣團隊和萬義頓團隊同中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、彭新華團隊共同研究。文章第一作者為中科大微觀磁共振重點實驗室博士生羅智煌，孔令欣、萬義頓和彭新華為通訊作者。
該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、上海市科學技術委員會和中科院的資助。
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