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我实验室李传锋研究组研制出光学量子模拟器用以研究相变机制

发布时间:2014-01-27
       我实验室李传锋教授研究组成功研制出光学量子模拟器,并首次在纯量子模型中证实描述相变过程的Kibble-Zurek(KZ)理论的绝热—脉冲近似成立。此成果发表在1月24日的《物理评论快报》上。
       量子计算机拥有经典计算机所无法比拟的巨大优势。受技术所限制,人们尚无法实现通用的普适量子计算机。 然而随着量子信息技术的飞速发展,目前人们已经可以利用一些量子系统实现某些特殊的量子计算功能。这类实现特殊任务的量子计算机就是量子模拟器。该研究组 研制的量子模拟器就是面向量子相变中的KZ机制这一特殊问题。
       连续相变的标准模型认为二阶相变过程中会伴随对称破缺,然而对称破缺点附近的相变动力学我们却知之甚少。著名高能物理和宇宙学专家Kibble教授在研究 早期宇宙的相变问题时发现相变残留的拓扑缺陷和相变动力学特征有关,因此通过观测拓扑缺陷便可研究相变动力学。随后,量子退相干理论的奠基人Zurek教 授进一步研究发现,这一宇宙学中的机制在凝聚态的连续相变中也成立。由此这一理论被称为Kibble-Zurek理论,此理论的核心是绝热—脉冲近似,在 此近似下连续相变的动力学过程可以分成绝热—脉冲—绝热三个过程,从而可以得出相变残留的拓扑缺陷的密度与动力学中猝变速度的关系。在经典的相变中,KZ 理论已为多项实验所证实,然而在量子系统中的KZ机制还没有任何实验验证。
       李传锋研究组研制出的光学量子模拟器由九级干涉装置组成,这是迄今为止世界上干涉级次最高的光学装置,它是首个真正意义上的光学量子模拟器。此前已有的光 学量子模拟实验需要事先知道被模拟系统的量子态,因此实质上是量子态制备过程。研究组利用这个光学量子模拟器以极高的精度(九级干涉装置的总可见度达到 97.5%)首次证实在纯量子的模型中绝热—脉冲假设是成立的。本成果为进一步验证KZ理论在量子相变中的有效性,以及为进一步研制解决更复杂问题的量子 模拟器打下了坚实的基础。
       审稿人认为该量子模拟器“具有极高的干涉可见度”,给出的实验结果“以令人惊讶的精度与理论结果一致”,因此,“此装置是进行更复杂量子模拟的非常有前途 的出发点”。而且,“他们的工作会促发量子光学领域对非平衡量子相变动力学的兴趣。” Zurek等人在庆祝Kibble 80岁生日而撰写的关于KZ理论的综述性文章(arXiv:1310.1600)中,专门用一节的篇幅介绍本成果。
       上述研究得到了科技部、基金委和中国科学院的支持。