中國科學技術大學教授、中國科學院院士郭光燦領導的中國科學院量子信息重點實驗室在量子模擬方向取得創新性進展。該實驗室的周正威、周幸祥、李傳鋒等人設計出一種特殊的一維級聯簡并光腔系統，通過對腔中具有軌道角動量自由度的光子進行探測，可以有效地模擬二維拓撲物理的各種現象。相關研究工作于7月6日發表在Nature Communications上，博士生羅希望為文章的第一作者。
量子模擬是量子信息領域一個非常重要而富有活力的研究方向，它可以在人工平臺上構建虛擬的量子材料或物理模型，模擬物理模型在極端物理條件下的性質。目前國際上主要在冷原子、離子阱、集成光子學等系統進行上述的研究。
周正威等人從理論上構建了一個新型的量子模擬研究平臺，可以仿真格點上的玻色子系統在各種人工規范場下的物理。其基本思想是設計一個能夠容納非常多模式且每個模式能量相同的簡并光腔。在這里，這些簡并模式是光學Laguerre-Gaussian模式中的軌道角動量自由度。通過誘導不同模式之間的隧穿，原則上，在一個簡并光腔系統中可以模擬一維耦合的諧振子鏈。通過級聯若干個簡并光腔，則可以模擬二維格點上的玻色子系統。在這項研究中，他們設計了如何在級聯簡并腔系統中模擬人工的阿貝爾、非阿貝爾規范場，以及如何探測能帶中Bloch波的性質，進而探測能帶陳數、邊緣模等拓撲不變量；如何模擬拓撲量子相變。
這個新穎的平臺不僅可模擬豐富的物理內容，而且在物理實現上與相近的系統相較，有著明顯的優勢。傳統的采用單模光腔級聯的物理系統，由于使用的物理資源過多，太多的噪聲因素使得物理實現幾乎不可能。比如，為了模擬10*100的格點系統，物理上需要1000個級聯的單模光腔來實現一個二維陣列。而該平臺只需要10個簡并光腔。另外，采用硅基光子學芯片雖然可增加物理實現性，但卻降低了系統的可調節性，大大減少了在同一平臺上可模擬的物理模型的數目。可見，該模擬平臺可以在使用很少物理資源的前提下，模擬非常豐富的物理內容。審稿人認為，作者的方案如若在實驗上成功實現，“將對量子模擬領域產生重大的沖擊。”
這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和教育部的資助。
能夠容納多個軌道角動量模式的“簡并光學腔”，它們級聯在一起可以模擬粒子在二維規范場中的行為。
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