時間反演對稱破缺在匯聚態化學和光子學領域已有深入研究，在非互易光子元件、信號路由和光子源保護等應用中凸顯出獨到優勢。量子行走是精典隨機行走的量子版本，作為一種基礎模型被廣泛應用于量子模擬和量子估算。將時間反演對稱破缺的概念引入量子行走中會催生什么新現象與新應用呢？自2013年時間反演對稱破缺量子行走模型[1]提出以來，出現了量子輸運提高、量子態轉移和量子算法提高等多種應用的理論研究，并且相應的實驗實現和演示進展平緩。硅基光量子芯片具有與CMOS工藝兼容、可擴充、高穩定性和可配置等優點，是一種理想的集成化量子信息處理平臺，也被廣泛用于量子行走的實驗研究[2]。
在近來發表于CHINA,&（《中國科學：數學學熱學天文學》英文版）2022年第10期的題為“ofusingtime-onachip”的工作中[3]，研究人員在硅基光量子芯片上演示了時間反演對稱破缺的量子行走，展示了時間反演對稱破缺對量子輸運過程的巨大提高效應。該工作由國防科技學院徐平院長課題組完成，王洋博士生為第一作者。據悉，刊物同期發表了由復旦學院龍桂魯院士因此文撰寫的點評文章[4]。
圖1實驗裝置示意圖
研究人員設計實現了含預報型量子光源的量子行走模擬芯片，包含高色溫的微環光子源和可配置的線性光學網路，如圖1所示。光子對通過微環中的自發四波濾波過程（SFWM）形成量子通訊速度，不等臂干涉儀耦合的微環是一種可調諧的光子源結構量子通訊速度，通過調節不等臂干涉儀使微環工作在最大過耦合狀態，可以將光子對豐度優化到最大[5，6]。微環形成的光子對在步入量子行走模擬光路前，先經過兩級不等臂干涉儀將泵浦光濾除和將訊號、閑置光子分開，訊號光子作為預報光子直接接入偵測器，閑置光子作為被預報光子步入線性光學網路進行量子行走模擬。在時間反演對稱破缺量子行走模型中，任意時刻的演變都可以用幺正算符描述，因而可以通過可配置線性光學網路實現。7個路徑模編碼了量子行走的位置空間，馬赫-曾德干涉儀構成的線性光學網路可以實現7維以內任意幺正算符，繼而模擬規模在7節點以內的圖上任意時刻量子行走的演進算符。通過訊號光子和演變后不同路徑輸出閑置光子的符合計數，可以估算得到相應圖節點上的量子行走幾率。
圖2(a)三節點環型圖R3；(b)三節點環型圖上標準量子行走從節點1出發各節點隨時間演進的機率；(c)三節點環型圖上時間反演對稱破缺量子行走從節點1出發各節點隨時間演進的機率。
如圖2(a)所示，三節點環是展示時間反演對稱破缺量子行走最簡單的圖結構。通過給邊加相位，可以在保持量子行走伊寧頓量厄米性的條件下打破時間反演對稱性。通過配置線性光學網路可以實現不同時刻量子行走的模擬。圖2(b)展示了三節點環型圖上從節點1出發標準量子行走抵達各節點的機率隨時間的演進，保持了時間反演對稱性。圖2(c)展示了通過給節點2到節點3之間的邊加Pi/2相位打破時間反演對稱性的量子行走過程，時間反演對稱破缺量子行走除了為行走過程引入了方向性，還實現了節點之間的完美態轉移，彰顯了量子輸運效率的提高。
圖3(a)-(c)分別為量子開關(G6)、量子輸運(ChainofR3)以及簡化光合作用能量轉移()的模型。
圖4實驗實現的量子提高匯總。
得益于硅基光量子芯片的集成性和可配置性，6節點圖和7節點圖上的時間反演對稱破缺量子行走也進行了模擬，我們分別展示了量子開關功能和量子輸運速率的提高，模型見圖3的(a)-(c)，實驗實現的量子提高結果匯總于圖4。在簡化的光合作用能量轉移模型中，時間反演對稱破缺量子行走詮釋出了量子輸運效率和速率的提高，啟發了光合作用能量轉移過程的研究。論文中的量子行走模擬實驗保真度都低于99%，彰顯了芯片在矩陣實現方面具有高精度的優勢，同時也彰顯了實現裝置的魯棒性。該芯片除了限于模擬量子行走，還可用于其他多種量子算法的實現。
【參考文獻】上下滑動查看
[1]Z.ás,M.,Z.Kádár,etal.,bytime-,Sci.Rep.3,2361(2013).
[2]X.Qiang,Y.Wang,S.Xue,etal.,graph-onawalk,Sci.Adv.7(9),(2021).
[3]Y.Wang,X.Yu,S.Xue,etal.,ofusingtime-onachip,Sci.China-Phys.Mech..65,(2022).【點擊鏈接或閱讀原文查看全文】
[4]G.-L.Long,intime-walks,Sci.China-Phys.Mech..65,(2022).
[5]C.Wu,Y.Liu,Y.Wang,etal.,oflightandfour-wavebasedonaring,Opt.30,9992(2022).
[6]C.Wu,Y.W.Liu,X.W.Gu,etal.,-pairbasedonadual-Mach-,Sci.China-Phys.Mech..63,(2020).
通信作者簡介
徐平，國防科技學院計算機大學量子信息研究所院士、博導。主要研究砷化鎵和硅基光量子芯片以及實現芯片上量子信息處理。