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模擬量子計(jì)算（analog quantum computing），相對(duì)于通用量子計(jì)算，有更平易近人的物理實(shí)現(xiàn)方式，而且對(duì)于玻色采樣、搜索、哈密頓量學(xué)習(xí)、化學(xué)模擬等問(wèn)題上有明顯的天然對(duì)應(yīng)方式和加速優(yōu)勢(shì)，因此是目前量子信息發(fā)展的另一個(gè)不可或缺、至關(guān)重要的領(lǐng)域。谷歌公司于2017年推出的量子軟件OpenFermion便是專(zhuān)攻模擬量子計(jì)算。

作為模擬量子計(jì)算的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，二維空間中的量子行走，能夠?qū)⑻囟ㄓ?jì)算任務(wù)對(duì)應(yīng)到量子演化空間中的相互耦合系數(shù)矩陣中，當(dāng)量子演化體系能夠制備得足夠大并且能靈活設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)工程、金融、生物醫(yī)藥等各領(lǐng)域中的各種搜索、優(yōu)化問(wèn)題，展現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

但是，想要將量子行走真正運(yùn)用于模擬量子計(jì)算來(lái)展現(xiàn)量子算法優(yōu)越性，務(wù)必滿足兩點(diǎn)：足夠多的行走路徑，及可根據(jù)算法需求自由設(shè)計(jì)的演化空間。以往的量子行走實(shí)驗(yàn)受限于所能制備的物理體系的尺寸限制，只能做出幾小步演化的原理性演示，且從來(lái)不能在真正的空間二維體系中自由演化，遠(yuǎn)不足以用于模擬量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)。

金賢敏研究組通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)制備集成化三維波導(dǎo)芯片，以波導(dǎo)走向代表連續(xù)演化時(shí)間，端面形成49×49個(gè)節(jié)點(diǎn)（即總共2401個(gè)節(jié)點(diǎn)）的超大演化空間，這樣即使是單光子注入，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)以千記的量子行走路徑，實(shí)驗(yàn)中量子達(dá)到至少一百多個(gè)行走步徑，突破了量子行走實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄；同時(shí)在演化過(guò)程中，光量子在波導(dǎo)之間的耦合強(qiáng)弱也可通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)間距來(lái)精確調(diào)控。甚至精準(zhǔn)波導(dǎo)彎曲、定量引入損耗及等調(diào)控技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展中。不斷純熟的集成化波導(dǎo)芯片技術(shù)使得量子行走向?qū)嶋H模擬量子計(jì)算應(yīng)用大步靠近。

研究組通過(guò)制備PPKTP高亮度單光子源及發(fā)展高分辨率ICCD單光子成像技術(shù)，觀察了光量子的二維行走模式。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子行走不論在一維還是二維演化空間中，都具有區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)行走的彈道式傳輸特性（ballistic transport）。

這種加速傳輸正是支持量子行走能夠在許多算法中超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。理論曾指出瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性（transient network）只在大于一維的量子行走中才實(shí)現(xiàn)，而以往準(zhǔn)二維量子行走實(shí)驗(yàn)由于受限的量子演化空間，無(wú)法觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳播特征。該研究首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)了瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性，進(jìn)一步驗(yàn)證了所實(shí)現(xiàn)的量子行走的二維特征。
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