可扩展的一维及高维量子随机行走及其物理实现

量子随机行走以优于经典的特性广泛应用于量子算法的开发，尤其以对oracular（如黑盒）问题的指数加速及搜寻问题的多项式加速而著称，是量子计算的重要研究方向。利用现有实验条件和基础，实验实现量子随机行走凸显出其重要性和迫切性。本项目通过对各种物理体系的研究分析，包括量子硬币和行走者的选择，硬币翻转和条件性位移操作及体系的相干性和可扩展性的分析，最终选择两种最易于实验实现量子随机行走的体系- - 离子阱和半导体腔QED系统。针对这两种体系，提出大规模、一维及高维量子随机行走的物理实现方案。本项目具有三个层面上的意义：硬件上，利用目前最具潜力率先实现量子计算机的系统可望完成量子算法的模拟、演示和实现；软件上，利用量子随机行走的优越性开发新的、更快的量子算法；提供审视量子纠缠和相干性的又一崭新平台。上述理论取得成功，必将对量子计算机的实验研究起指导性作用，并最终推动量子计算机实用化、集成化和产业化。

在项目资助期间，在量子随机行走，量子计算的物理实现和量子态工程三个方面取得了一定成就，共在Physical Review A等SCI收录学术期刊上发表高水平学术论文21篇，另有1篇已经接收，1篇实验文章公开发表于arXiv上并已投稿。针对量子随机行走这一课题，研究工作进展顺利，进度符合项目年度计划，达到预期研究成果。.1.研究多粒子的量子随机行走，首先选择多个硬币的量子随机行走方案，在位置和位相空间上的交替行走。物理实现方面，我们选取腔QED系统，原子的内态作为量子硬币，腔模光场作为量子行走者，原子与光场共振情况下的相互作用实现在位置空间上的行走，原子与光场大失谐情况下的相互作用实现在位相空间上的行走。通过数值计算，我们观测到多硬币量子随机行走的的量子特性。邀稿文章发表于Journal of Computational and Theoretical Nanoscience。2.研究多行走者的量子随机行走，每个行走者交换硬币，通过硬币之间的纠缠建立起量子行走者之间的经典和量子关联。以多粒子量子随机行走作为平台研究两体多维的量子关联的演化。文章发表于Physical Review A。3.研究周期性驱动量子硬币，从而实现行走者的行为在量子行走和经典行走中周期性轮换，突破了以前的认识，即量子行走蜕化到经典行走不可逆。文章发表于Physical Review A。4.在物理实现方面，我们分别利用金刚石NV色心中超导磁通比特以及束缚在光腔中的中性原子实现量子随机行走，并证明在位置空间和位相空间中的行走对彼此互为消相干行走，导致量子行走行为逐渐丧失量子特性而转换为经典行走。文章发表在Physical Review A，Chinese Physics B等。5.考虑到消相干对量子随机行走的影响，我们分别研究了马尔科夫噪声和非马尔科噪声对量子随机行走的影响，并定量分析各种因素，各种噪声信道对量子行走蜕化至经典行走的影响。文章发表于Chinese Physics B。并受到Chinese Physics B量子信息专题综述邀请撰写综述论文，详述缺陷和消相干对于分离时间的量子行走的特性的影响。6.利用单光子和beam displacer干涉仪实现存在位相缺陷的随机行走，在随机行走的框架中实验观测到Anderson localization现象和Bloch Oscillation现象。