中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在拓撲量子計算領(lǐng)域取得重要進展，其研究成果于12月5日發(fā)表在《物理評論快報》。研究團隊利用自主研發(fā)的光量子模擬器，成功模擬了馬約拉納零模的編織操作，并計算了不同拓撲結(jié)構(gòu)的扭結(jié)對應(yīng)的瓊斯多項式，實現(xiàn)了對不同扭結(jié)結(jié)構(gòu)的有效區(qū)分。

　　在數(shù)學(xué)和物理學(xué)中，“扭結(jié)”是指將一根線頭尾相連后在三維空間中任意纏繞所形成的結(jié)構(gòu)。區(qū)分不同的扭結(jié)結(jié)構(gòu)是一項重要的研究課題，而瓊斯多項式是用于區(qū)分不同扭結(jié)結(jié)構(gòu)的重要數(shù)學(xué)工具。然而，對于復(fù)雜的扭結(jié)結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)經(jīng)典算法計算其瓊斯多項式非常困難。

　　馬約拉納零模是一種特殊的量子態(tài)，被認為是構(gòu)建拓撲量子計算機的理想載體。通過編織馬約拉納零模，可以實現(xiàn)特定的拓撲量子算法，從而計算扭結(jié)的瓊斯多項式。盡管已有大量實驗研究了馬約拉納零模的物理特性，但由于實驗材料和技術(shù)要求極高，實現(xiàn)這一目標仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　研究團隊在前期工作的基礎(chǔ)上，對光量子模擬器進行了重大改進。他們將基于單光子空間模式的編碼方式擴展到雙光子空間模式，顯著提高了可編碼量子態(tài)的數(shù)量。同時，引入基于薩格納克干涉儀的量子冷卻裝置，將原有的耗散式演化轉(zhuǎn)換為非耗散演化，提升了光子資源的利用率，為實現(xiàn)多步驟量子演化操作奠定了基礎(chǔ)。

　　最終，研究組通過組合3條Kitaev鏈模型下馬約拉納零模不同的編織操作，模擬了5種典型的拓撲扭結(jié)，并通過將扭結(jié)對應(yīng)的量子末態(tài)向初始量子態(tài)投影，得到了扭結(jié)對應(yīng)的瓊斯多項式的數(shù)值解，進一步將不同扭結(jié)進行區(qū)分。這一成果對于統(tǒng)計物理、化學(xué)分子合成以及DNA復(fù)制等領(lǐng)域具有重要啟示意義。