中科大成功研制出光子频率和相位均可调控的量子模拟器

中国科学技术大学郭光灿院士团队与国外研究小组合作，成功研制出光子频率和相位均可调控的量子模拟器，通过编程控制即可实现任意的相位消相干过程。该成果有助于推进量子计算机的研制过程。该成果近日发表在国际权威期刊《自然 · 通讯》上。

科技日报消息，中国科学技术大学郭光灿院士团队研制出完全可控的相位消相干量子模拟器。该团队李传锋研究组与芬兰图尔库大学的理论研究组合作，成功研制出光子频率和相位均可调控的量子模拟器，通过编程控制即可实现任意的相位消相干过程。该成果 8 月 27 日发表在国际权威期刊《自然 · 通讯》上。

经典计算机的基本单元是比特，其值可以是 0 或 1。环境干扰导致比特的值由 0 变为 1，1 变为 0 时，就会出错。而量子计算机的基本单元是量子比特，可以处于 0 和 1 的叠加状态。环境干扰下即使 0 和 1 能够保持不变，量子比特依然会出错，这是因为环境可以导致 0 和 1 之间的相位发生变化，从而改变整个量子比特导致出错，这个过程就是相位消相干，如何克服它是量子计算机研制过程中遇到的最大困难。如果能构造出完全可控的相位消相干研究平台，必将推进量子计算机的研制过程。

实验装置图

李传锋研究组在光学系统中完成了这一任务。他们把单个光子的偏振作为量子比特，而光子的频率作为环境，构造出完全可控相位演化量子模拟器。研究组通过巧妙的光路设计，把光子的频率分布转化到空间分布，并把两种偏振的光转变成两束平行光输入到空间光调制器上，通过对空间光调制器的编程控制可以构造出光子的任意频率分布和相位分布，从而实现任意的相位消相干过程。

作为实例，研究组利用可控相位消相干量子模拟器研究了一个和横场伊辛（Ising）链相耦合的量子比特，展示了它在顺磁相、铁磁相以及相变点的三种完全不同的相位消相干过程。

编程实现各种复杂的频率分布图和相位分布图

完全可控相位消相干量子模拟器将为研究任意物理系统的相位消相干和研究开放量子系统的基本物理问题提供实验平台。如何把这一量子模拟器推广到多光子情况，将是研究组进一步研究的问题。

博士研究生刘曌地为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部的资助。