随机行走吧，12量子！多体量子行走踏出重要一步
在复杂量子多体系统的模拟中，每多涉及一个粒子，在经典计算中的计算量往往会成倍增加，即所谓随粒子数目增加而指数增加。所以微观到人类基因图谱的绘制，宏观的宇宙天体的演化，都急需量子计算技术的迅速发展，首先需要量子计算系统中有足够多的纠缠量子比特，接着需要对这些纠缠量子比特之间的相关关系进行推演。
中国科学技术大学潘建伟、朱晓波和彭承志等组成的超导量子实验团队，联合中国科学院物理研究所范桁等理论小组，开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中。该工作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。该研究成果5月2日在线发表在国际权威学术期刊《科学》上。
随机行走指行走者在特定路线或者区域无规律移动，例如布朗运动、扩散等物理现象，也和图灵机紧密联系，发生在经典物理体系中的可称为经典随机行走。量子行走是经典随机行走在量子力学中的拓展，区别于经典随机行走，由于量子具有叠加态的特性，粒子在格点中行走的特性需要用量子力学的波函数统计规律来诠释。量子行走本身可以模拟多体物理体系的量子行为，理论上最终可用于通用量子计算，因而引发了高度关注。
超导量子计算是量子计算最有前景的方案之一，作为固态量子计算方案，其内在的优势在于工艺本身便具有良好的可扩展性。然而，在不断集成更多的量子比特的同时，如何保证所有量子比特的质量是目前最大的挑战。
潘建伟教授及其同事朱晓波、陆朝阳、彭承志等不久前成功实现了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，中国科大团队方案比之前的方案有更好的可扩展性。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，标志着中国科大自主研制的超导量子计算系统的整体性能已达到了国际最先进的水平，为下一步实现大规模随机线路采样等“量子霸权”问题和可扩展单向量子计算奠定了基础。相关成果发表于3月份的《物理评论快报》。
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了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。
中国科学技术大学朱晓波是负责该项工作实验部分的通讯作者，中国科学院物理研究所范桁是负责理论部分的通讯作者。闫智广（中国科学技术大学）、张煜然（北京计算科学中心/物理所）和龚明（中国科学技术大学）是文章的共同第一作者。
论文链接：
强关联纠缠体系的量子随机游走：
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/05/01/science.aaw1611
12个超导量子比特纠缠态：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.110501
来源：中国科大新闻网
作者：范琼
本期编辑：姚琼