量子模拟光学实现的实验研究

Quantum simulators are controllable quantum systems that can be used to simulate other quantum systems. Quantum simulation has become one of the hottest topics in the quantum information field. In this project, we will focus on the simulation of novel algorithm quantum cooling, the dynamics of time-dependent Hamiltonian, physical systems at finite-temperature and its evolution, by using optical quantum simulators. We would first experimentally demonstrate the Maxwell's demon-like algorithmic quantum cooling with quantum optics systems and compare different kinds of cooling strategies. By using several Hamiltonians of the local interactions to approximate the time-dependent Hamiltonian with a certain precision, we can simulate the solution of Landau-Zener model described by the Kibble-Zurek mechanism and investigate the nonequilibrium phase transitions. We then change the coupling parameters to further investigate the nonsymmetric Landau-Zener problem. In order to simulate the physical systems at finite-temperature, we construct an optical quantum simulator driven by dissipation. By controlling the dissipation, we can product different kinds of thermal states and the negative temperature state. We further investigate the dynamics of a physical system at finite-temperature in the optical simulator driven by dissipation. By using the method of linear iteration, we simulate the process of searching the Curie temperature of magnetic materials and demonstrate the Curie's law. The implementation of this project will provide new insights and novel applications on these critical problems. It would also present the advantages of employing optical quantum simulators in the mean time.

量子模拟是用一个可控的量子系统来模拟另一个量子体系的性质和演化。它是当前量子信息领域的前沿课题之一。本项目将着重实验研究光量子模拟器在算法量子冷却，含时哈密顿量演化，有限温度物理体系及其演化模拟中的应用。我们将研究麦克斯韦妖式算法量子冷却的光学模拟，并比较不同的冷却策略；通过将含时哈密顿量以一定精度近似分解为多个局域哈密顿量的乘积，实验模拟Kibble-Zurek机制下Landau-Zener模型的求解，研究非热平衡相变过程，并通过调控耦合参数，实现非对称Landau-Zener模型的模拟；通过在光量子模拟器中引入环境耗散，实现有限温度物理体系的量子模拟，并制备不同温度的热态和负温度态；进一步模拟有限温度物理体系的演化性质，利用线性迭代的方法，通过耗散式光量子计算机实现磁性材料居里温度的搜索和居里原理的验证。本项目的实施将深化对这些重要问题的理解和应用，并展现光量子模拟器的应用优势。

线性光学体系能有效地屏蔽环境对系统的影响，而且具有极高的操作精度，是量子模拟一个很有前途的方向。本项目主要集中于新型光量子模拟器的搭建和应用，并对量子模拟过程中量子关联的性质进行深入的研究。主要研究进展包括：实验实现麦克斯韦妖式的量子算法冷却，提供了一种新的途径用以量子模拟经典方法难以实现的低温性质。成果发表在Nature Photonics上，入选为Nature Photonics的封面标题文章。这项工作可以用来为普适的量子计算和量子模拟提供初始量子态资源。MIT Seth Lloyd教授在同期的News and Views栏目上对这项工作进行介绍；搭建基于耗散的线性光学量子模拟器，首次模拟了马约拉纳零模的交换特性。这项工作发表在Nature Communications上，引起科学媒体的广泛关注，发表以来文章的阅读量已经超过1000次，Phys.org, Science alert等网站都对此项工作进行报道。本成果对量子统计、拓扑量子计算和马约拉纳费米子的研究具有重要的推动作用；实验实现量子关联在没有系统环境反作用下经典噪声中的恢复。成果发表在Nature Communications上，已被SCI他引72次，入选为ESI高被引论文。这项工作简化了量子关联恢复所需要的条件。 Davidovich教授等人在Reports on Progress in Physics关键问题综述中用了一节专门介绍我们在量子关联恢复方面的工作；实验验证了“非此即彼”框架下的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR) 导引，揭示了量子力学中一类新的非局域特性。这一工作刊登在Physical Review Letters上，并被Phys.org专题报道。本实验提供了一种简易的实现及验证EPR导引的方法，扩展了量子非局域性的应用范围；进一步实验实现了单向EPR导引，定量揭示了一类非对称性的量子非局域性。该研究成果发表在Physical Review Letters上，并被选为“编辑推荐”文章，同时被美国物理学会Physics网站以及英国物理学会Physics world网站高亮报道。该工作为理解单向量子导引提供了一种直观的视角；深入研究噪声信道量子容量的激活问题，在实验上实现了零容量量子信道中量子信息的双向传输，为分布式量子模拟打下了基础。这一工作发表在Science Advances上。