中国科大利用自主光量子模拟器成功计算马约拉纳零模琼斯多项式，实现拓扑量子计算新突破

IT之家最新消息，中国科学技术大学郭光灿院士团队在拓扑量子计算领域取得了重要突破。该研究成果已于12月5日在《物理评论快报》上发布（DOI：10.1103/PhysRevLett.133.230603）。

此团队利用自主研发的光量子模拟器成功模拟了马约拉纳零模的编织操作，并计算了不同拓扑结构的扭结对应的琼斯多项式，从而实现了对不同扭结结构的有效区分。

在数学和物理学中，“扭结”是指将一根线头尾相连后在三维空间中任意缠绕所形成的结构。区分不同的扭结结构是一项重要的研究课题，而琼斯多项式则是用来区分这些扭结结构的关键数学工具，它被用作拓扑不变量。然而，对于复杂的扭结结构，使用传统经典算法计算其琼斯多项式非常困难。

马约拉纳零模是一种特殊的量子态，被认为是构建拓扑量子计算机的理想载体。通过马约拉纳零模进行编织操作，可以实现特定的拓扑量子算法，从而计算扭结的琼斯多项式。尽管已有许多实验研究了马约拉纳零模的物理特性，但由于实验材料和技术要求极高，通过编织马约拉纳零模来实现拓扑量子算法仍然面临巨大挑战。

研究团队在早前的工作基础上，对光量子模拟器进行了重要升级。他们将基于单光子空间模式的编码方式扩展到双光子空间模式，明显提高了可编码量子态的数量。

同时，引入基于萨格纳克干涉仪的量子冷却装置，将旧的耗散演化转变为非耗散演化，提高了光子资源的利用效率，为实现多步骤量子演化操作奠定了基础。这些技术改进极大地提升了光量子模拟器的性能。在实验中，其量子态与编织交换过程的平均保真度均在97%以上。

最终，研究组通过组合3条Kitaev链模型下马约拉纳零模的不同编织操作，成功模拟了5种典型的拓扑扭结。通过将扭结对应的量子末态向初始量子态投影，他们得到了扭结对应的琼斯多项式的数值解，进一步区分了不同的扭结。这对于拓扑扭结频繁出现的研究领域，如统计物理、化学分子合成以及DNA复制等，都具有重要启示意义。

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