時(shí)間反演對稱破缺在匯聚態(tài)化學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)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(hù)等應(yīng)用中凸顯出獨(dú)到優(yōu)勢。量子行走是精典隨機(jī)行走的量子版本，作為一種基礎(chǔ)模型被廣泛應(yīng)用于量子模擬和量子估算。將時(shí)間反演對稱破缺的概念引入量子行走中會催生什么新現(xiàn)象與新應(yīng)用呢？自2013年時(shí)間反演對稱破缺量子行走模型[1]提出以來，出現(xiàn)了量子輸運(yùn)提高、量子態(tài)轉(zhuǎn)移和量子算法提高等多種應(yīng)用的理論研究，并且相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)和演示進(jìn)展平緩。硅基光量子芯片具有與CMOS工藝兼容、可擴(kuò)充、高穩(wěn)定性和可配置等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)研究[2]。
在近來發(fā)表于CHINA,&（《中國科學(xué)：數(shù)學(xué)學(xué)熱學(xué)天文學(xué)》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(shí)間反演對稱破缺的量子行走，展示了時(shí)間反演對稱破缺對量子輸運(yùn)過程的巨大提高效應(yīng)。該工作由國防科技學(xué)院徐平院長課題組完成，王洋博士生為第一作者。據(jù)悉，刊物同期發(fā)表了由復(fù)旦學(xué)院龍桂魯院士因此文撰寫的點(diǎn)評文章[4]。
圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
研究人員設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了含預(yù)報(bào)型量子光源的量子行走模擬芯片，包含高色溫的微環(huán)光子源和可配置的線性光學(xué)網(wǎng)路，如圖1所示。光子對通過微環(huán)中的自發(fā)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(huán)是一種可調(diào)諧的光子源結(jié)構(gòu)量子通訊速度，通過調(diào)節(jié)不等臂干涉儀使微環(huán)工作在最大過耦合狀態(tài)，可以將光子對豐度優(yōu)化到最大[5，6]。微環(huán)形成的光子對在步入量子行走模擬光路前，先經(jīng)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(yù)報(bào)光子直接接入偵測器，閑置光子作為被預(yù)報(bào)光子步入線性光學(xué)網(wǎng)路進(jìn)行量子行走模擬。在時(shí)間反演對稱破缺量子行走模型中，任意時(shí)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(xué)網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)。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(gòu)成的線性光學(xué)網(wǎng)路可以實(shí)現(xiàn)7維以內(nèi)任意幺正算符，繼而模擬規(guī)模在7節(jié)點(diǎn)以內(nèi)的圖上任意時(shí)刻量子行走的演進(jìn)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(jì)數(shù)，可以估算得到相應(yīng)圖節(jié)點(diǎn)上的量子行走幾率。
圖2(a)三節(jié)點(diǎn)環(huán)型圖R3；(b)三節(jié)點(diǎn)環(huán)型圖上標(biāo)準(zhǔn)量子行走從節(jié)點(diǎn)1出發(fā)各節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間演進(jìn)的機(jī)率；(c)三節(jié)點(diǎn)環(huán)型圖上時(shí)間反演對稱破缺量子行走從節(jié)點(diǎn)1出發(fā)各節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間演進(jìn)的機(jī)率。
如圖2(a)所示，三節(jié)點(diǎn)環(huán)是展示時(shí)間反演對稱破缺量子行走最簡單的圖結(jié)構(gòu)。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(shí)間反演對稱性。通過配置線性光學(xué)網(wǎng)路可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻量子行走的模擬。圖2(b)展示了三節(jié)點(diǎn)環(huán)型圖上從節(jié)點(diǎn)1出發(fā)標(biāo)準(zhǔn)量子行走抵達(dá)各節(jié)點(diǎn)的機(jī)率隨時(shí)間的演進(jìn)，保持了時(shí)間反演對稱性。圖2(c)展示了通過給節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)3之間的邊加Pi/2相位打破時(shí)間反演對稱性的量子行走過程，時(shí)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(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)之間的完美態(tài)轉(zhuǎn)移，彰顯了量子輸運(yùn)效率的提高。
圖3(a)-(c)分別為量子開關(guān)(G6)、量子輸運(yùn)(ChainofR3)以及簡化光合作用能量轉(zhuǎn)移()的模型。
圖4實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)圖和7節(jié)點(diǎn)圖上的時(shí)間反演對稱破缺量子行走也進(jìn)行了模擬，我們分別展示了量子開關(guān)功能和量子輸運(yùn)速率的提高，模型見圖3的(a)-(c)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的量子提高結(jié)果匯總于圖4。在簡化的光合作用能量轉(zhuǎn)移模型中，時(shí)間反演對稱破缺量子行走詮釋出了量子輸運(yùn)效率和速率的提高，啟發(fā)了光合作用能量轉(zhuǎn)移過程的研究。論文中的量子行走模擬實(shí)驗(yàn)保真度都低于99%，彰顯了芯片在矩陣實(shí)現(xiàn)方面具有高精度的優(yōu)勢，同時(shí)也彰顯了實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。
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[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(diǎn)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(xué)院計(jì)算機(jī)大學(xué)量子信息研究所院士、博導(dǎo)。主要研究砷化鎵和硅基光量子芯片以及實(shí)現(xiàn)芯片上量子信息處理。