中國科學技術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。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。直接觀測系統(tǒng)的體拓撲性質是拓撲物態(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，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。