中国科大在拓扑量子计算领域取得重要突破：成功模拟马约拉纳零模编织操作

中国科大在拓扑量子计算领域取得重要突破：成功模拟马约拉纳零模编织操作

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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重要进展，其研究成果已于12月5日发表在《物理评论快报》上。研究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，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，而琼斯多项式就是用来区分不同扭结结构的重要数学工具，它是一种拓扑不变量。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。利用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。虽然已有大量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。

研究团队在前期工作的基础上，对光量子模拟器进行了重大改进。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，显著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，将原有的耗散式演化转换为非耗散演化，提升了光子资源的利用率，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不同的编织操作，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，得到了扭结对应的琼斯多项式的数值解，进一步将不同扭结进行区分。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，均具有重要启示意义。