山西大学激光光谱研究所在超冷原子非阿贝尔量子调控方面取得重要进展

近日，山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、激光光谱研究所贾锁堂教授、梅锋教授、赵延霆教授研究团队在超冷原子非阿贝尔量子调控方面取得重要进展。相关研究成果“Observation of non-adiabatic non-Abelian braiding of matter waves”于8月13日发表在Nature Communications。博士生解缙、关博文为论文共同第一作者，梅锋教授和赵延霆‌教授为共同通讯作者，北京量子信息科学研究院张江研究员、山西大学激光光谱研究所王陈浩讲师参与了该研究，贾锁堂教授与肖连团教授提供了重要指导。

非阿贝尔物理是现代物理的重要前沿方向，其不仅深植于非阿贝尔规范场的几何结构之中，同时也构成了拓扑容错量子计算的理论基础。通过操控非阿贝尔任意子世界线的编织过程，可以实现非阿贝尔和乐操作。编织生成的辫子群因具有非交换的代数结构，可被用于构造和乐量子门。由于编织操作的最终结果仅依赖于世界线缠绕的几何和拓扑，而与操作路径的连续形变及局域微扰无关，由此实现的和乐量子门天然具备几何和拓扑保护特性，能够有效抑制环境退相干与操控误差，为容错量子计算提供了一条有别于传统纠错方案的全新路线。

研究团队在超冷原子动量晶格中系统构建了非阿贝尔和乐，并探索了其在动量量子态制备与量子调控中的多重应用。首先，基于Aharonov–Anandan纤维丛框架，实现了非绝热、非阿贝尔和乐；通过对初始动量态施加不同顺序的非阿贝尔和乐量子门与编织操作序列，观测到最终量子态呈现出可清晰区分的差异，直接验证了非阿贝尔代数的非对易性。其次，在相同实验条件下，对比研究表明，相较于绝热非阿贝尔量子调控，非绝热非阿贝尔量子调控在操作速度上提升了48倍；同时，研究团队发展的方案的保真度，对局域扰动和参数误差的敏感性从一阶压低至二阶，显著增强了非阿贝尔量子操作的鲁棒性。最后，团队进一步展示了该非阿贝尔量子调控的多功能性，其能够灵活实现超冷原子动量量子态的多样化操控，包括高保真度的动量量子态制备、动量模式间的量子态转移与分配。该研究为超冷原子量子信息处理提供了一条基于非阿贝尔几何范式的、兼具速度与鲁棒性的调控新路径。

该研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家高层次青年人才项目、山西省“1331”工程重点学科建设基金、山西省杰出青年基金项目、光量子技术与器件全国重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。（通讯员：张颖）