中国科大建成新型光学量子行走实验系统

本报合肥6月28日电(记者季通讯员杨)中国科技大学郭广灿院士团队提出了一种基于时间复用的量子行走新方案，搭建了一个50步光学量子行走实验系统，并首次基于该系统直接测量了手征对称量子行走中的体积拓扑不变量。研究结果发表在6月26日的《物理评论快报》上。

量子行走是量子信息领域的一个重要研究方向。理论证明，基于该模型可以实现普适量子计算。虽然实现量子行走的物理系统有很多种，但如何提高其行走尺度一直是一个主要问题。

郭广灿院士的团队李传锋的研究团队经过多年的尝试，已经成功构建了一个能够大规模量子行走的量子光学实验系统。该系统基于时间复用共线干涉框架，使用共线双折射晶体实现自旋轨道耦合，从而避免额外的光子损失。这种新设计使系统非常稳定，特别适合基于光子的大规模量子行走。该研究小组展示了一个基于可预测的单光子的50步量子行走，高保真度为0.945。

拓扑态是由量子效应引起的与某些拓扑性质相关的新态，是近几十年来物理学领域的研究热点。拓扑态自然具有抵抗局部退相干的能力，因此在实现量子信息任务中也具有潜在的应用价值。拓扑态已经在凝聚态和冷原子中进行了广泛的实验研究。近年来，量子行走系统越来越多地被用于研究自旋轨道耦合物理系统的拓扑性质。通常的方法是基于体积-边界对应原理，通过研究边界状态来推导物理系统的体积拓扑性质。直接观测系统的体拓扑性质是拓扑状态研究的热点和难点。困难在于需要完全测量系统的基态波函数。

该研究团队通过巧妙的设计成功地重建了光学量子行走系统的最终状态波函数，然后直接读取手性对称量子行走的体积拓扑不变量。光学量子行走实验平台对于进一步研究拓扑状态具有重要的应用价值。

评论家高度评价了这一成就，认为量子行走中缠绕数的直接测量是新颖的，也触及了这一快速发展领域的核心。本工作中用于实现大规模量子行走的实验装置是新颖的，相信它将在未来研究量子行走现象中发挥作用。