中科大成功研制出光子頻率和相位均可調(diào)控的量子模擬器

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊與國外研究小組合作，成功研制出光子頻率和相位均可調(diào)控的量子模擬器，通過編程控制即可實現(xiàn)任意的相位消相干過程。該成果有助于推進(jìn)量子計算機的研制過程。該成果近日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然 · 通訊》上。

科技日報消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊研制出完全可控的相位消相干量子模擬器。該團(tuán)隊李傳鋒研究組與芬蘭圖爾庫大學(xué)的理論研究組合作，成功研制出光子頻率和相位均可調(diào)控的量子模擬器，通過編程控制即可實現(xiàn)任意的相位消相干過程。該成果 8 月 27 日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然 · 通訊》上。

經(jīng)典計算機的基本單元是比特，其值可以是 0 或 1。環(huán)境干擾導(dǎo)致比特的值由 0 變?yōu)?1，1 變?yōu)?0 時，就會出錯。而量子計算機的基本單元是量子比特，可以處于 0 和 1 的疊加狀態(tài)。環(huán)境干擾下即使 0 和 1 能夠保持不變，量子比特依然會出錯，這是因為環(huán)境可以導(dǎo)致 0 和 1 之間的相位發(fā)生變化，從而改變整個量子比特導(dǎo)致出錯，這個過程就是相位消相干，如何克服它是量子計算機研制過程中遇到的最大困難。如果能構(gòu)造出完全可控的相位消相干研究平臺，必將推進(jìn)量子計算機的研制過程。

實驗裝置圖

李傳鋒研究組在光學(xué)系統(tǒng)中完成了這一任務(wù)。他們把單個光子的偏振作為量子比特，而光子的頻率作為環(huán)境，構(gòu)造出完全可控相位演化量子模擬器。研究組通過巧妙的光路設(shè)計，把光子的頻率分布轉(zhuǎn)化到空間分布，并把兩種偏振的光轉(zhuǎn)變成兩束平行光輸入到空間光調(diào)制器上，通過對空間光調(diào)制器的編程控制可以構(gòu)造出光子的任意頻率分布和相位分布，從而實現(xiàn)任意的相位消相干過程。

作為實例，研究組利用可控相位消相干量子模擬器研究了一個和橫場伊辛（Ising）鏈相耦合的量子比特，展示了它在順磁相、鐵磁相以及相變點的三種完全不同的相位消相干過程。

編程實現(xiàn)各種復(fù)雜的頻率分布圖和相位分布圖

完全可控相位消相干量子模擬器將為研究任意物理系統(tǒng)的相位消相干和研究開放量子系統(tǒng)的基本物理問題提供實驗平臺。如何把這一量子模擬器推廣到多光子情況，將是研究組進(jìn)一步研究的問題。

博士研究生劉曌地為論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部的資助。