交叉信息研究院量子信息中心的金奇奂副教授所带领的离子阱研究小组近日首次在离子阱系统中实现了嵌入式量子模拟器。研究成果《嵌入式量子模拟器中的时间反演和电荷共轭》于8月4日发表在《自然·通讯》期刊上。该文章的通讯作者是交叉信息研究院金奇奂副教授和张静宁助理研究员，第一作者是院在读博士研究生张翔。

图1：离子阱系统中的嵌入式量子模拟器。上半部分和下半部分分别表示原始和扩展空间。 被量子力学基本原理所禁止的非物理过程在扩展空间中被映射为幺正操作。

量子模拟器是用来演示理想量子模型的属性的仪器，它使我们能够研究通过经典方式无法高效地模拟的量子系统。然而，由于量子系统不能实现反幺正过程，量子模拟器还不能实现某些基本的代数运算，比如复共轭操作。而复共轭操作与结合量子力学和相对论的量子场论有着深刻的联系，比如分立对称操作——电荷共轭和实践反演操作都包含复共轭操作。

通过引入扩展空间和被称作嵌入式量子模拟器的新概念，金奇奂研究组首次在离子阱系统中实现了复共轭和上述对称操作。嵌入式量子模拟器是由西班牙巴斯克大学的Enrique Solano教授研究组提出的。金奇奂研究组的实验实现可以被应用于大量需要“非物理”操作的量子计算和模拟中。该实验探索了量子模拟领域的全新方向，将“非物理”操作引入到量子模拟工具箱中。嵌入式量子模拟器也可以被用于测量具有物理意义的非可观测量，比如纠缠单调和多重时间纠缠等。

图2：动量空间中的Majorana动力学演化过程中的时间反演和电荷共轭。该粒子的时间演化是由Majorana方程决定的，对称操作发生在演化的中点t=4。  a,b. 在时间反演操作之后，Majorana粒子的动量和速度同时反号。 c,d. 从定义上说，粒子和相应的反粒子具有相反的动量，但它们的速度却是一样的。因此，在电荷共轭操作之后，只有动量反号，而Majorana粒子的速度保持不变。

该实验工作由交叉信息研究院的博士研究生张翔、沈杨超和张君华进行。除通讯作者之外，其他作者还包括清华大学的翁文康博士以及巴斯克大学的Jorge Casanova博士、Lucas Lamata博士、Enrqiue Solano教授。此项研究工作由国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金支持。

论文链接参见：http://www.nature.com/ncomms/2015/150804/ncomms8917/full/ncomms8917.html