中國科學技術大學郭光燦院士團隊在拓撲量子計算領域取得重要進展，其研究成果于12月5日發表在《物理評論快報》。研究團隊利用自主研發的光量子模擬器，成功模擬了馬約拉納零模的編織操作，并計算了不同拓撲結構的扭結對應的瓊斯多項式，實現了對不同扭結結構的有效區分。
在數學和物理學中，“扭結”是指將一根線頭尾相連后在三維空間中任意纏繞所形成的結構。區分不同的扭結結構是一項重要的研究課題，而瓊斯多項式是用于區分不同扭結結構的重要數學工具。然而，對于復雜的扭結結構，使用傳統經典算法計算其瓊斯多項式非常困難。
馬約拉納零模是一種特殊的量子態，被認為是構建拓撲量子計算機的理想載體。通過編織馬約拉納零模，可以實現特定的拓撲量子算法，從而計算扭結的瓊斯多項式。盡管已有大量實驗研究了馬約拉納零模的物理特性，但由于實驗材料和技術要求極高，實現這一目標仍面臨巨大挑戰。
研究團隊在前期工作的基礎上，對光量子模擬器進行了重大改進。他們將基于單光子空間模式的編碼方式擴展到雙光子空間模式，顯著提高了可編碼量子態的數量。同時，引入基于薩格納克干涉儀的量子冷卻裝置，將原有的耗散式演化轉換為非耗散演化，提升了光子資源的利用率，為實現多步驟量子演化操作奠定了基礎。
最終，研究組通過組合3條Kitaev鏈模型下馬約拉納零模不同的編織操作，模擬了5種典型的拓撲扭結，并通過將扭結對應的量子末態向初始量子態投影，得到了扭結對應的瓊斯多項式的數值解，進一步將不同扭結進行區分。這一成果對于統計物理、化學分子合成以及DNA復制等領域具有重要啟示意義。
