中國科學院武漢物理與數學研究所波譜與原子分子物理國家重點實驗室的束縛體系量子信息處理研究組近期與新加坡國立大學量子技術中心、清華大學交叉信息研究院等開展合作，在基于金剛石氮空位中心自旋系綜的量子信息及量子模擬的理論研究方面取得一系列新進展，相關研究結果發表在2012年的美國物理學會期刊Physical Review A上。

規范場的量子模擬是目前凝聚態物理及冷原子物理等領域的前沿課題之一，這是因為人工規范場的有效模擬有助于理解一系列有趣的物理現象，比如超導渦旋、量子磁阻振蕩、量子霍爾效應等。然而，由于具體實驗中的各種極端條件的限制，特別是需要超高外場，在普通的固態體系中直接觀察到這些與規范場緊密相關的物理現象往往是困難重重。

束縛體系量子信息處理研究組在理論上提出了利用金剛石自旋系綜和超導量子電路的復合固態體系來量子模擬規范場的方案。該理論利用室溫下擁有超長相干時間的金剛石自旋系綜作為量子信息的最好載體，用自旋系綜的集體激發來充當玻色粒子的角色，然后運用與空間位置緊密相關的微波相位的精確調制技術，在光子的動量空間里成功模擬出一個超高的人工磁場（圖1），產生了類似于作用在帶電粒子上的洛倫茲力的物理效果，為直接觀察到理論上預言的超高磁場下的單電子的Hofstadter蝴蝶能譜(圖2)提供一種新的可能途徑。

相關研究結果發表在近期的美國物理學會期刊Physical Review A 86, 012307 (2012)上，其文章中的圖形被美國物理學會挑選為Physical Review A雜志的2012年月度Kleidoscope的圖片。

基于連續變量的量子信息處理也是當前一個重要的科學與技術問題。該研究小組的理論研究顯示，在金剛石自旋系綜和超導量子電路的復合固態體系中，只要巧妙設計外部驅動場，并結合超導量子電路體系的良好操控性和擴展性，可以基于操控人工庫環境的思想來實現遠距離的自旋系綜之間的微波光場壓縮態，這為研究大規模的連續變量量子信息處理提供了理論基礎。該研究的相關工作發表在美國物理學會期刊Physical Review A 85, 022324 (2012)上。

以上研究得到國家重點基礎研究發展計劃和國家自然科學基金委面上項目的資助。

論文鏈接：http://pra.aps.org/abstract/PRA/v86/i1/e012307
　　　       http://pra.aps.org/abstract/PRA/v85/i2/e022324

　  圖1：動量空間下的干涉模式圖　

 圖2：不同晶格大小下的基態能譜圖