近期，山西大學雷射光譜研究所梅鋒教授研究團隊在國際上首次實現了拓撲保護的量子線路和拓撲物態的數字量子模擬，相關研究成果「Digital Simulation of Topological Matter on Programmable Quantum Processors」於2020年10月15日發表在物理學頂級學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。梅鋒教授為該論文的第一作者和共同通訊作者。論文主要合作者還包括山西大學賈鎖堂教授、肖連團教授、南京大學朱詩亮教授以及華南師範大學於亞飛副教授。
圖1：在IBM量子信息處理器(圖左)上首次實現了拓撲保護的量子線路(圖右)。
圖2：實驗上在8個量子比特的帶噪聲量子信息處理器中觀察到拓撲保護的邊界態。拓撲物態是數學中的拓撲學概念在物理系統中的體現，拓撲物態具有全新的拓撲保護物性，可用來實現能量和信息的無損耗單向傳播，可用於實現拓撲保護的大規模容錯量子計算。近年來，利用人工量子體系模擬拓撲物態，成為國際上的前沿研究熱點。量子模擬分為類比量子模擬和數字量子模擬。對於拓撲物態的量子模擬，目前的研究主要集中於類比量子模擬，如何實現拓撲物態的數字量子模擬，即模擬拓撲物態的量子算法，一直是國際上懸而未決的關鍵科學問題。
針對這一問題，山西大學雷射光譜研究所研究團隊首次提出並驗證了基於單比特和兩比特量子門組成的量子算法，可實現對自旋軌道耦合和拓撲物態的數字量子模擬和探測。如圖1，通過量子信息處理器中的量子比特來模擬自旋，利用單比特和兩比特量子門組成的量子線路來模擬自旋軌道耦合哈密頓量的含時演化。研究表明，拓撲不變量和拓撲邊界態都可以被數字量子模擬器探測和觀察。如圖2，研究團隊在8量子比特的IBM量子信息處理器上，設計了產生拓撲物態的量子算法，實驗觀察並區分了拓撲保護的零能和Pi能邊界態，成功地實現了拓撲物態的數字量子模擬。
這項工作獲得了量子光學與光量子器件國家重點實驗室、極端光學省部共建協同創新中心、國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目以及國家自然科學基金的支持。
值得一提的是，山西省另一所高校，有「人民兵工第一校」之美譽的中北大學也在量子科技的最前沿做深入的研究。在量子科技領域，中北大學已建成量子傳感與精密測量國際聯合實驗室、量子傳感與精密測量儀器山西省重點實驗室。2018年，以中北大學劉俊教授為帶頭人的儀器科學與技術學科團隊提出的「光量子傳感」入選為2018中國科協60個重大科學問題和重大工程技術難題。