中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊提出基于時間復用的新型量子行走方案，建成了50步的光學量子行走實驗系統(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撲不變量。該成果6月26日發(fā)表在《物理評論快報》上。

量子行走是量子信息領域的重要研究方向，理論上已經(jīng)證明基于該模型可以實現(xiàn)普適的量子計算。盡管目前已有多種實現(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。

郭光燦院士團隊李傳鋒研究組通過多年嘗試，成功建成可以進行大規(guī)模量子行走的量子光學實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于時間復用的共線干涉框架，使用共線切割的雙折射晶體實現(xiàn)自旋-軌道耦合，避免了額外的光子損耗。這種新型的設計使得該系統(tǒng)非常穩(wěn)定，特別適合實現(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報單光子的50步的量子行走。

拓撲物態(tài)是由量子效應導致的與某些拓撲性質(zhì)相聯(lián)系的新物態(tài)，是近幾十年物理學領域的研究熱點。拓撲物態(tài)天然具有抵抗局域退相干的能力，所以在實現(xiàn)量子信息任務中也具有潛在應用價值。拓撲物態(tài)在凝聚態(tài)和冷原子等系統(tǒng)中已有大量的實驗研究。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)的拓撲性質(zhì)。通常的方法是基于體-邊界對應原理，通過對邊界態(tài)的研究反推物理系統(tǒng)的體拓撲性質(zhì)。直接觀測系統(tǒng)的體拓撲性質(zhì)是拓撲物態(tài)研究中的熱點和難點，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計，成功實現(xiàn)對光學量子行走系統(tǒng)末態(tài)波函數(shù)的完整重構(gòu)，進而直接讀取具有手征對稱的量子行走的體拓撲不變量。該光學量子行走實驗平臺對于進一步研究拓撲物態(tài)具有重要應用價值。

審稿人高度評價這一成果，認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)展的領域的核心。該工作中用于實現(xiàn)大規(guī)模量子行走的實驗裝置是新穎的，相信可以在將來研究量子行走現(xiàn)象中發(fā)揮作用。