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中国科学院物理研究所 T05组供稿 第39期 2014年11月28日
北京凝聚态物理国家实验室
量子多体模拟和量子克隆研究等系列进展
  最近, 中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)凝聚态理论和计算重点实验室的范桁研究员与合作者一起在量子信息和量子计算等研究中取得系列进展, 分别在《物理评论X》、《物理评论快报》和《物理报告》刊登了研究成果。
  量子计算和量子信息处理是人们利用量子力学的叠加性和量子纠缠等特性对量子态进行操控来实现信息处理任务的。其中量子计算的目的之一是建立一种普适型量子模拟器,它利用一种人工可控量子体系来实现对另外一些未知量子体系的模拟。绝热量子计算是一种实现量子计算的方法,它也可以被认为是一种量子模拟,其中需解决问题的答案对应于一个量子态,并可以从一个初始量子态通过绝热演化得到,最近加拿大D-Wave公司宣称已成功造出的量子计算机即采取绝热量子计算的原理。一个量子多体系统是否可以被经典系统(如现有计算机)很好的模拟,决定了它可否能作为一种普适的量子系统来模拟其它千变万化的量子系统。如果能被经典系统准确模拟,同时模拟所要求的计算和存储资源并不随体系的增大而成指数增长,我们可以认为此系统等同于一个经典系统,不然则是一个真正的量子系统,而量子计算和量子模拟相对于经典系统的优势正来自于此种情况。一个量子系统是否能具有超越经典的优势并没有被很好的研究,也没有大家公认的标准,此方向的探索正方兴未艾。
  最近,中科院物理研究所聚态理论和计算重点实验室的范桁研究员、物理所/德国弗雷堡大学崔健博士与美国/意大利Franchini博士等研究者合作,利用系统基态的局域可变换性和边界态的性质,提出一种量子模拟是否具有量子优势的判定方法,这种判断标准基于系统基态的量子纠缠性质与局域可变性的联系,即局域可变换意味着量子态可被有效模拟。他们研究了一维横场伊辛模型有限和无限长度两种情况,利用有限系统的纠缠熵的性质在不同量子相中的行为,发现多体量子系统存在可被有效模拟和不可被有效模拟两种情况,其中量子优势就来源于局域不可变换的量子相,此结果已发表于《物理评论X》(Phys. Rev. X 4, 041028 (2014))。
  能谷系统被认为是实现量子模拟和量子信息处理的理想平台之一,单层的金属二硫属化物具有蜂窝状结构,有独特的能谷性质,加上金属原子强的自旋轨道耦合,体系表现出自旋能谷耦合的丰富特性,其量子态可进行有效调控和读出。香港大学谢茂海组等在MBE生长的MoSe2中发现了一维的金属性边界态模式以及其强度波动的特性,范桁研究员及博士生吴贤新与香港大学姚望教授合作参与了此研究,他们利用第一性原理方法确定了实验上边界的原子结构,计算的电子结构性质与实验相符,阐明了实验观测到的强度波动起源于Moire图样和量子限制效应。该工作发表在《物理评论快报》Phys. Rev. Lett.113, 066105 (2014)。
  量子信息中量子态并不可以被拷贝无穷多份,它关系到量子力学的一个特殊性质,即量子非克隆原理。此原理广泛应用于量子信息中,比如量子密码的安全性就是建立在此原理之上。但是,量子非克隆原理并不意味着量子态的近似或者几率型量子克隆是不可行的,遵循量子力学原理的各种近似或者几率型量子克隆作为量子信息处理和量子模拟的一个重要课题一直都受到大家的关注,进展也非常之多。最近范桁研究员、研究生岳洁东、北京大学穆良柱副教授等撰写了关于量子克隆研究的长篇综述,已正式发表于综述性刊物《物理报告》上(Phys. Rep. 544, 241 (2014))。在综述中,他们系统的总结了量子克隆研究中的主要进展和结果,展示了关于量子克隆的多种形式,实验实现进展和应用等, 并对将来的研究方向和存在的问题也进行了分析。
  相关研究得到科技部、国家自然科学基金委、创新协同中心以及中国科学院的支持。

  量子多体系统局域变换及仿真研究发表文章为:Phys. Rev. X 4, 041028 (2014).
  单层MoSe2能谷系统一维金属性边界态研究发表文章为:Phys. Rev. Lett. 113, 066105 (2014).
  量子克隆综述发表文章为:Physics Reports 544, 241-322 (2014).
一维伊辛模型可以被视作双格点马约拉纳费米子模型,两种性质的基态纠缠熵对应于对马约拉纳费米子组合的不同划分。
远程量子克隆可以分发量子态给多个分处各地的使用者,类似于云计算中的云端发送,Cloud X通过量子隐性传态分发量子态,当地使用者C通过局域变换可以得到被分发的量子态。
下载附件>> PhysRep544(2014)241.pdf
下载附件>> PhysRevLett113.066105.pdf
下载附件>> PhysRevX.4.041028.pdf
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