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【山西日報】探尋量子行走的“凌波微步”

時間:2019-06-06 16:07:21 來源:山西日報

  中國科學技術大學潘建偉的超導量子實驗團隊近日再登《科學》雜志。他們聯合中國科學院物理所開創性地將超導量子比特應用到量子行走的研究中。這項研究成果將對未來多體物理現象的模擬以及利用量子行走進行通用量子計算的研究產生重要影響。


  何為量子行走呢?它與我們的生活有著怎樣的關聯?山西大學光電研究所專家這樣告訴記者,“隨機行走”是指行走者在無規律移動。中學課堂上的一種物理現象——布朗運動最能體現。1827年英國植物學家布朗在花粉顆粒的水溶液中觀察到花粉不停頓的無規則運動。花粉在水中,因為受到不同方向的力并不平衡,導致了它們的無規則運動,這是一種分子熱運動的宏觀表現。后來很多科學家研究過這種現象,1905年的時候,愛因斯坦就深入分析過布朗運動的理論,隨機行走的物理現象開始被人們廣為接受。


  為了簡單地理解經典隨機行走,我們可以想象一個一維的格子。假設一個粒子本來待在坐標0點處,每過一個單位時間,它就會走一步,但是它走得很隨機,一半概率向左走,一半概率向右走。當它到了下個點之后,接下來的走法還是如此,一半可能向左走,一半可能向右走。如果把上面的一維行走放到量子世界里,情況就會變得更奇異。量子世界里的粒子遵循量子疊加、量子干涉等規律,它們的行為會變得很復雜。


  如果這個一維的格子上有不止一個粒子,彼此之間疊加和干涉,隨著時間的演化,會形成更加復雜的行為。此外,粒子種類不同,相互作用方式也不同,那么在晶格上的量子行為會大相徑庭。這些都吸引了科學家的研究興趣。許多學者認為,在量子處理器上進行量子行走的演示,是實現量子計算的一條重要途徑。這次研究中,科研團隊成功刷新了12個量子比特的多體真糾纏態“簇態”的制備,刷新了超導量子比特糾纏的世界記錄。尤其重要的是,中國科大團隊的方案比之前的方案有更好的擴展性。這一記錄也是目前固態量子系統內最大的多體真糾纏比特數目,標志著科大自主研制的超導量子計算系統的整體性已達到國際最先進的水平,為下一步實現大規模隨機線路采樣的“量子霸權”問題和可擴展單向量子計算奠定基礎。


  基于這一擁有足夠多量子糾纏的高質量量子計算系統,研究團隊在世界上首次嘗試在固態量子計算系統中實驗演示強關聯糾纏體系的量子行走。研究團隊詳細研究了單粒子及雙粒子激發下的量子行走行為,觀察到量子行走過程中量子糾纏的傳播及演化,并成功觀察到了強關聯光子體系中雙光子的費米子化行為。該工作為未來利用量子隨機行走進行多體物理現象的模擬以及通用量子計算的研究打下了基礎。


  這樣的成果不只是讓量子計算離我們更近了一步。生活中,可不止布朗的花粉隨機行走,許多生物過程、化學反應都離不開量子行走的模擬計算。甚至,經濟學中很多理論基礎就來源于隨機行走,比如,基于隨機行走思想的Black-Scholes期權定價理論,就獲得了1997年諾貝爾經濟學獎。


  本報記者 沈佳


  山西日報  2019年06月06日

  http://epaper.sxrb.com/shtml/sxrb/20190606/332643.shtml


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