物理所合作在量子多體模擬和量子克隆研究中獲系列進展

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）凝聚態理論和計算重點實驗室的范桁研究員與合作者一起在量子信息和量子計算等研究中取得系列進展，分別在《物理評論X》、《物理評論快報》和《物理報告》刊登了研究成果。

　　量子計算和量子信息處理是人們利用量子力學的疊加性和量子糾纏等特性對量子態進行操控來實現信息處理任務的。其中量子計算的目的之一是建立一種普適型量子模擬器，它利用一種人工可控量子體系來實現對另外一些未知量子體系的模擬。絕熱量子計算是一種實現量子計算的方法，它也可以被認為是一種量子模擬，其中需解決問題的答案對應于一個量子態，并可以從一個初始量子態通過絕熱演化得到，最近加拿大D-Wave公司宣稱已成功造出的量子計算機即采取絕熱量子計算的原理。一個量子多體系統是否可以被經典系統（如現有計算機）很好地模擬，決定了它可否能作為一種普適的量子系統來模擬其它千變萬化的量子系統。如果能被經典系統準確模擬，同時模擬所要求的計算和存儲資源并不隨體系的增大而成指數增長，我們可以認為此系統等同于一個經典系統，不然則是一個真正的量子系統，而量子計算和量子模擬相對于經典系統的優勢正來自于此種情況。一個量子系統是否能具有超越經典的優勢并沒有被很好地研究，也沒有大家公認的標準，此方向的探索正方興未艾。

　　最近，中科院物理所凝聚態理論和計算重點實驗室的范桁研究員、物理所/德國弗雷堡大學崔健博士與美國/意大利Franchini博士等研究者合作，利用系統基態的局域可變換性和邊界態的性質，提出一種量子模擬是否具有量子優勢的判定方法，這種判斷標準基于系統基態的量子糾纏性質與局域可變性的聯系，即局域可變換意味著量子態可被有效模擬。他們研究了一維橫場伊辛模型有限和無限長度兩種情況，利用有限系統的糾纏熵的性質在不同量子相中的行為，發現多體量子系統存在可被有效模擬和不可被有效模擬兩種情況，其中量子優勢就來源于局域不可變換的量子相，此結果已發表于《物理評論X》【Phys. Rev. X 4, 041028 (2014)】。

　　能谷系統被認為是實現量子模擬和量子信息處理的理想平臺之一，單層的金屬二硫屬化物具有蜂窩狀結構，有獨特的能谷性質，加上金屬原子強的自旋軌道耦合，體系表現出自旋能谷耦合的豐富特性，其量子態可進行有效調控和讀出。香港大學謝茂海組等在MBE生長的MoSe2中發現了一維的金屬性邊界態模式以及其強度波動的特性，范桁研究員及博士生吳賢新與香港大學姚望教授合作參與了此研究，他們利用第一性原理方法確定了實驗上邊界的原子結構，計算的電子結構性質與實驗相符，闡明了實驗觀測到的強度波動起源于Moire圖樣和量子限制效應。該工作發表在《物理評論快報》【Phys. Rev. Lett.113, 066105 (2014)】。

　　量子信息中量子態并不可以被拷貝無窮多份，它關系到量子力學的一個特殊性質，即量子非克隆原理。此原理廣泛應用于量子信息中，比如量子密碼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著量子態的近似或者幾率型量子克隆是不可行的，遵循量子力學原理的各種近似或者幾率型量子克隆作為量子信息處理和量子模擬的一個重要課題一直都受到大家的關注，進展也非常之多。最近范桁研究員、研究生岳潔東、北京大學穆良柱副教授等撰寫了關于量子克隆研究的長篇綜述，已正式發表于綜述性刊物《物理報告》上【Phys. Rep. 544, 241 (2014)】。在綜述中，他們系統地總結了量子克隆研究中的主要進展和結果，展示了關于量子克隆的多種形式，實驗實現進展和應用等, 并對將來的研究方向和存在的問題進行了分析。

　　相關研究得到科技部、國家自然科學基金委、創新協同中心以及中國科學院的支持。

一維伊辛模型可以被視作雙格點馬約拉納費米子模型，兩種性質的基態糾纏熵對應于對馬約拉納費米子組合的不同劃分。

遠程量子克隆可以分發量子態給多個分處各地的使用者，類似于云計算中的云端發送，Cloud X通過量子隱性傳態分發量子態，當地使用者C通過局域變換可以得到被分發的量子態。