凝聚态相关物理系统中的量子计算和量子信息

随着量子计算和量子信息研究的深入和发展，量子信息处理及相关问题的探索吸引了众多不同背景研究者的加入。在发展中，人们一方面看到这一研究领域巨大的应用和基础前景，另一方面新的基础研究问题和应用技术困难也在不断涌现。因此，我们仍需加强对这些问题的研究和探索。本项目将主要探索量子计算，量子纠缠，量子纠错码，容错性量子计算，量子通讯等量子信息处理问题，特别是我们将兼顾一般性原理探索和实际物理系统相结合的研究。我们的研究将涵盖下面几个领域：（1）凝聚态及相关物理系统中的量子计算和量子信息处理问题。这个课题将主要以具体的物理系统为研究对象，以量子信息理论和凝聚态理论为工具，探索系统的物性和调控。（2）量子信息处理问题探索。这个课题将主要集中在量子信息处理理论，量子纠缠如它的演化，量化，分类和应用及量子克隆，量子纠错等。（3）量子计算和通讯，量子密码等的实现。这个课题将主要集中在对量子态调控的探索上。

本项目在按照项目任务书中的计划顺利执行。在本项目的支持下，我们在发表科研论文方面比较顺利，共有50篇论文发表（SCI），其中Nature Communications一篇.，Phys. Rev., Annals of Phy.等三十篇左右。研究方向上没有进行调整，还是集中在与量子信息处理，量子计算相关方面。.下面就一些亮点成果做简单概述。.项目负责人范桁，博士生崔健与新加坡国立大学等合作在不同量子相的不同量子计算能力方面的研究取得重要进展（Nature Commun. 3, 812(2012)）.。他们通过对模型基态任伊熵的偏导正负性的判断，发现其行为可以准确区分凝聚态模型的不同量子相，而且不同的量子相确实在量子计算的能力方面是不同的。.量子计算的实现在方法上大致可以被分为两种，量子逻辑门方法和绝热量子计算方法。研究表明这两种方法在计算能力和计算复杂度方面是等价的。他们选取了一种可以用绝热量子计算实现的量子算法，通过对一维横场伊辛模型和XY模型基态纠缠任伊熵的分析发现，在绝热量子计算的实现过程中，在一些量子相里，绝热量子计算需要整体相干操作，而在另一些量子相里，绝热量子计算可以通过较简单的局域操作辅助以经典通讯。而对比如量子搜索的研究表明，局域操作在所谓的量子加速方面并不起作用。从而表明不同的量子相具有不同的量子计算能力。.分数量子霍尔效应是凝聚态物理中的重要研究领域。传统的分数量子霍尔效应一般考虑强外磁场、低温和连续介质的环境。从2011年开始，人们发现，对于一些零外磁场下、时间反演对称性破缺、拥有拓扑非平庸平带（能带很平坦且陈数C非零）的格点模型，当粒子分数填充C不为零的某条平带时，粒子间的相互作用可以使系统的基态成为一种新的强关联拓扑有序态。这种态被称为分数陈绝缘体态。|C|=1能带上的分数陈绝缘体态一般被认为是传统分数量子霍尔态的晶格版本，并且原则上有可能在室温下被实现。范桁研究员、刘钊博士（2012年夏物理所博士毕业，现北京计算科学研究中心博士后），与德国、奥地利科学家合作在高陈数平带上的分数陈绝缘体方面取得进展（Phys. Rev. Lett. ,(2012)）。他们提出此物理系统的实现可以考虑冷原子或者某些自旋轨道耦合材料，从而为在二维晶格模型中观测到相关新奇现象提供了基础。