中國科大研制出光學量子模擬器用以研究相變機制

　　中國科學技術大學郭光燦院士領導的中國科學院量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組成功研制出光學量子模擬器，并首次在純量子模型中證實描述相變過程的Kibble-Zurek(KZ)理論的絕熱—脈沖近似成立。此成果發表在1月24日的《物理評論快報》上。

　　量子計算機擁有經典計算機所無法比擬的巨大優勢。受技術限制，人們尚無法實現通用的普適量子計算機。 然而隨著量子信息技術的飛速發展，目前人們已經可以利用一些量子系統實現某些特殊的量子計算功能。這類實現特殊任務的量子計算機就是量子模擬器。該研究組研制的量子模擬器就是面向量子相變中的KZ機制這一特殊問題。

　　連續相變的標準模型認為二階相變過程中會伴隨對稱破缺，然而對稱破缺點附近的相變動力學我們卻知之甚少。著名高能物理和宇宙學專家Kibble教授在研究早期宇宙的相變問題時發現相變殘留的拓撲缺陷和相變動力學特征有關，因此通過觀測拓撲缺陷便可研究相變動力學。隨后，量子退相干理論的奠基人Zurek教授進一步研究發現，這一宇宙學中的機制在凝聚態的連續相變中也成立。由此這一理論被稱為Kibble-Zurek理論，此理論的核心是絕熱—脈沖近似，在此近似下連續相變的動力學過程可以分成絕熱—脈沖—絕熱三個過程，從而可以得出相變殘留的拓撲缺陷的密度與動力學中猝變速度的關系。在經典的相變中，KZ理論已為多項實驗所證實，然而在量子系統中的KZ機制還沒有任何實驗驗證。

　　李傳鋒研究組研制出的光學量子模擬器由九級干涉裝置組成，這是迄今為止世界上干涉級次最高的光學裝置，它是首個真正意義上的光學量子模擬器。此前已有的光學量子模擬實驗需要事先知道被模擬系統的量子態，因此實質上是量子態制備過程。研究組利用這個光學量子模擬器以極高的精度(九級干涉裝置的總可見度達到97.5%)首次證實在純量子的模型中絕熱—脈沖假設是成立的。本成果為進一步驗證KZ理論在量子相變中的有效性，以及為進一步研制解決更復雜問題的量子模擬器打下了堅實的基礎。

　　審稿人認為該量子模擬器“具有極高的干涉可見度”，給出的實驗結果“以令人驚訝的精度與理論結果一致”，因此，“此裝置是進行更復雜量子模擬的非常有前途的出發點”。而且，“他們的工作會促發量子光學領域對非平衡量子相變動力學的興趣。”Zurek等人在為慶祝Kibble 80歲生日而撰寫的關于KZ理論的綜述性文章(arXiv:1310.1600)中，專門用一節的篇幅介紹該成果。

　　上述研究得到了科技部、基金委和中國科學院的支持。