中国科学技术大学潘建伟的超导量子实验团队近日再登《科学》杂志。他们联合中国科学院物理所开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中。这项研究成果将对未来多体物理现象的模拟以及利用量子行走进行通用量子计算的研究产生重要影响。

　　何为量子行走呢？它与我们的生活有着怎样的关联？山西大学光电研究所专家这样告诉记者，“随机行走”是指行走者在无规律移动。中学课堂上的一种物理现象——布朗运动最能体现。1827年英国植物学家布朗在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停顿的无规则运动。花粉在水中，因为受到不同方向的力并不平衡，导致了它们的无规则运动，这是一种分子热运动的宏观表现。后来很多科学家研究过这种现象，1905年的时候，爱因斯坦就深入分析过布朗运动的理论，随机行走的物理现象开始被人们广为接受。

　　为了简单地理解经典随机行走，我们可以想象一个一维的格子。假设一个粒子本来待在坐标0点处，每过一个单位时间，它就会走一步，但是它走得很随机，一半概率向左走，一半概率向右走。当它到了下个点之后，接下来的走法还是如此，一半可能向左走，一半可能向右走。如果把上面的一维行走放到量子世界里，情况就会变得更奇异。量子世界里的粒子遵循量子叠加、量子干涉等规律，它们的行为会变得很复杂。

　　如果这个一维的格子上有不止一个粒子，彼此之间叠加和干涉，随着时间的演化，会形成更加复杂的行为。此外，粒子种类不同，相互作用方式也不同，那么在晶格上的量子行为会大相径庭。这些都吸引了科学家的研究兴趣。许多学者认为，在量子处理器上进行量子行走的演示，是实现量子计算的一条重要途径。这次研究中，科研团队成功刷新了12个量子比特的多体真纠缠态“簇态”的制备，刷新了超导量子比特纠缠的世界记录。尤其重要的是，中国科大团队的方案比之前的方案有更好的扩展性。这一记录也是目前固态量子系统内最大的多体真纠缠比特数目，标志着科大自主研制的超导量子计算系统的整体性已达到国际最先进的水平，为下一步实现大规模随机线路采样的“量子霸权”问题和可扩展单向量子计算奠定基础。

　　基于这一拥有足够多量子纠缠的高质量量子计算系统，研究团队在世界上首次尝试在固态量子计算系统中实验演示强关联纠缠体系的量子行走。研究团队详细研究了单粒子及双粒子激发下的量子行走行为，观察到量子行走过程中量子纠缠的传播及演化，并成功观察到了强关联光子体系中双光子的费米子化行为。该工作为未来利用量子随机行走进行多体物理现象的模拟以及通用量子计算的研究打下了基础。

　　这样的成果不只是让量子计算离我们更近了一步。生活中，可不止布朗的花粉随机行走，许多生物过程、化学反应都离不开量子行走的模拟计算。甚至，经济学中很多理论基础就来源于随机行走，比如，基于随机行走思想的Black-Scholes期权定价理论，就获得了1997年诺贝尔经济学奖。

　　本报记者 沈佳

　　山西日报  2019年06月06日

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