新加坡國立大學(xué)(NUS)的研究人員利用數(shù)字量子計算機成功模擬了高階拓撲(HOT)晶格，精度達到了前所未有的水平。這些復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)可以幫助我們理解在各種技術(shù)應(yīng)用中備受追捧的具有穩(wěn)健量子態(tài)的先進量子材料。
物質(zhì)的拓撲狀態(tài)及其HOT對應(yīng)物的研究引起了物理學(xué)家和工程師的極大關(guān)注。這種強烈興趣源于拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)——一種僅在表面或邊緣導(dǎo)電而內(nèi)部保持絕緣的材料。
由于拓撲結(jié)構(gòu)獨特的數(shù)學(xué)性質(zhì)，沿邊緣流動的電子不會受到材料中存在的任何缺陷或變形的阻礙。因此，由此類拓撲材料制成的設(shè)備在更強大的傳輸或信號傳輸技術(shù)方面具有巨大潛力。
由新加坡國立大學(xué)物理系助理教授LeeChingHua領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用多體量子相互作用，開發(fā)出一種可擴展的方法，將代表實際拓撲材料的大型高維HOT晶格編碼到當(dāng)今數(shù)字量子計算機中的簡單自旋鏈中。他們的方法充分利用了量子計算機量子比特可以存儲的指數(shù)級信息量，同時以抗噪聲的方式最大限度地降低了量子計算資源需求。
此項進展為利用數(shù)字量子計算機模擬先進量子材料開辟了新方向，從而釋放了拓撲材料工程的新潛力。該項研究成果已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
李教授表示：“目前在量子優(yōu)勢方面的突破性研究僅限于高度具體的定制問題。尋找量子計算機提供獨特優(yōu)勢的新應(yīng)用是我們工作的核心動機。”
李教授補充道：“我們的方法使我們能夠在量子計算機上探索拓撲材料的復(fù)雜特征，其精度達到了以前無法達到的水平，即使對于存在于四維的假設(shè)材料也是如此。”
盡管目前噪聲較大的中尺度量子(NISQ)設(shè)備存在局限性，但得益于內(nèi)部開發(fā)的先進誤差緩解技術(shù)，該團隊能夠以前所未有的精度測量高階拓撲晶格的拓撲狀態(tài)動態(tài)和受保護的中隙光譜。這一進步展示了當(dāng)前量子技術(shù)探索材料工程新前沿的潛力。
模擬高維HOT晶格的能力為量子材料和拓撲狀態(tài)開辟了新的研究方向，為未來實現(xiàn)真正的量子優(yōu)勢提供了一條潛在途徑。
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