中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊提出基于時間復(fù)用的新型量子行走方案，建成了50步的光學(xué)量子行走實(shí)驗系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)首次直接測量具有手征對稱性的量子行走中的體拓?fù)洳蛔兞?。該成?月26日發(fā)表在《物理評論快報》上。

量子行走是量子信息領(lǐng)域的重要研究方向，理論上已經(jīng)證明基于該模型可以實(shí)現(xiàn)普適的量子計算。盡管目前已有多種實(shí)現(xiàn)量子行走的物理系統(tǒng)，但如何提高其行走規(guī)模一直是個重大難題。

郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒研究組通過多年嘗試，成功建成可以進(jìn)行大規(guī)模量子行走的量子光學(xué)實(shí)驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于時間復(fù)用的共線干涉框架，使用共線切割的雙折射晶體實(shí)現(xiàn)自旋-軌道耦合，避免了額外的光子損耗。這種新型的設(shè)計使得該系統(tǒng)非常穩(wěn)定，特別適合實(shí)現(xiàn)基于光子的大規(guī)模量子行走。研究組以0.945的高保真度演示了基于可預(yù)報單光子的50步的量子行走。

拓?fù)湮飸B(tài)是由量子效應(yīng)導(dǎo)致的與某些拓?fù)湫再|(zhì)相聯(lián)系的新物態(tài)，是近幾十年物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。拓?fù)湮飸B(tài)天然具有抵抗局域退相干的能力，所以在實(shí)現(xiàn)量子信息任務(wù)中也具有潛在應(yīng)用價值。拓?fù)湮飸B(tài)在凝聚態(tài)和冷原子等系統(tǒng)中已有大量的實(shí)驗研究。近來，量子行走系統(tǒng)越來越多地被用于研究具有自旋-軌道耦合的物理系統(tǒng)的拓?fù)湫再|(zhì)。通常的方法是基于體-邊界對應(yīng)原理，通過對邊界態(tài)的研究反推物理系統(tǒng)的體拓?fù)湫再|(zhì)。直接觀測系統(tǒng)的體拓?fù)湫再|(zhì)是拓?fù)湮飸B(tài)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，其困難在于需要完全測定系統(tǒng)的基態(tài)波函數(shù)。

該研究組通過巧妙設(shè)計，成功實(shí)現(xiàn)對光學(xué)量子行走系統(tǒng)末態(tài)波函數(shù)的完整重構(gòu)，進(jìn)而直接讀取具有手征對稱的量子行走的體拓?fù)洳蛔兞?。該光學(xué)量子行走實(shí)驗平臺對于進(jìn)一步研究拓?fù)湮飸B(tài)具有重要應(yīng)用價值。

審稿人高度評價這一成果，認(rèn)為該工作對量子行走中卷繞數(shù)的直接測量很新穎，也觸及這個快速發(fā)展的領(lǐng)域的核心。該工作中用于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子行走的實(shí)驗裝置是新穎的，相信可以在將來研究量子行走現(xiàn)象中發(fā)揮作用。