腔阵列中纠缠特性和多体问题及其在量子模拟中的应用

量子信息技术正在逐步走向实用化，达到这一目标尚有关键性技术有待突破。而量子模拟则是量子信息技术的主要应用之一，因而利用现有实验条件和基础实现量子模拟技术凸显出其重要性和迫切性。本项目通过对腔阵列的物性，尤其是量子纠缠特性、演化及多体现象的深入研究，提出新型调控手段，实现腔阵列对强关联多体系统的量子模拟的各个关键性技术，提出一套建立量子模拟平台的完整理论，利用此平台寻求多体奇异量子相变的有效而可行的测量方法，并开发新型、优化的量子多体算法用于进一步研究处理凝聚态多体问题。本项目具有三个层面上的意义：硬件上，利用目前最具潜力率先实现量子信息技术的系统实现多体系统的量子模拟平台；软件上，利用多体系统的关联特性开发新的、更快的量子多体算法；提供审视多体系统中量子纠缠和关联特性的又一崭新平台。上述理论取得成功，必将对量子信息技术的实验研究起到指导性作用，并最终推动量子信息技术实用化、集成化和产业化。

在项目资助期间，在量子模拟，量子计算的物理实现，量子态工程及量子行走等方面取得了一定成就，共在Physical Review Letters等SCI收录学术期刊上发表高水平学术论文三十篇，均标注项目资助。研究工作进展顺利，进度符合项目预期计划，超过预期研究成果。在量子模拟这一方向具体研究成果如下：.（一）提出实现单量子系统与腔模的强耦合，构建腔阵列，实现腔阵列近邻节点间的有效相互作用，实现对腔阵列体系中近邻节点耦合的有效调控，研究腔阵列体系中的极化子的纠缠特性，利用腔辅助的中性原子模拟自旋链的基态，论文《Simulation of the ground states of spin rings with cavity-assisted neutral atom》发表在Scientific Reports上。并自2013年开始建立线性光学实验平台，利用双光子偏振纠缠态实验实现对自旋链的基态的量子模拟，论文《Photonic simulation of ground-state of an Ising spin chain》已经投稿至Physical Review Letters。.（二）在利用线性光学体系进行量子模拟方面的研究，利用单光子源和beam displacer干涉仪实现存在位相缺陷的量子行走，在量子行走的框架中实验模拟凝聚态物理中的复杂现象Anderson localization现象和Bloch Oscillation。目前已有实验结果《Localized State in a Two-Dimensional Quantum Walk on a Disordered Lattice》发表于Physical Review A,《Observation of quasiperiodic dynamics in a one-dimensional quantum walk of single photons in space》发表于New Journal of Physics，《Trapping photons in a line》发表于Scientific Reports，以及《Experimental realization of one-dimensional optical quantum walks》发表于Chinese Physics B。