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东南大学薛鹏教授课题组首次观测到量子行走中光信息的传播扩散与恢复现象

2015-04-073763发布者:李震

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东南大学物理系薛鹏教授课题组首次观测到了量子行走中光信息的传播扩散与恢复现象,日前,最新一期的《物理评论快报》[Physical Review Letters 114, 140502 (2015)]发表了这一项关于光在量子行走中的动力学演化研究的重要进展。

量子行走在量子信息中有着广泛的应用,例如利用量子行走开发的针对无序数据库的搜寻算法等。正是因为其优于经典的特性,导致携带信息的量子态的扩散速度与经典相比有二次方式的增长,因此人们的普遍认识中,ballistic spreading才是量子行走的特性并加以利用。而随着薛鹏教授课题组对量子行走在理论和实验方面的深入研究,逐渐认识到其可控的自由度之多,例如量子行走者和量子硬币,并对位置、位相、演化时间等条件逐一加以控制操作,发现通过依赖于演化时间的硬币抛掷操作,只要选择合适的抛掷参数,携带信息的量子行走者和量子硬币的态可以在任意的偶数演化时间后恢复至初始状态,而在此之前态依然遵从量子行走的扩散规律。  

薛鹏教授课题组利用参量下转换产生的标记单光子的空间模式作为量子行走者,偏振作为硬币,实现了在由光束偏移器构建的部分级联的干涉仪中十六次演化,连续两次观测到了周期为八的量子行走恢复现象。实验中涉及到的利用三明治式波片组实现依赖于演化时间的硬币抛掷操作及具有极高干涉可见度的十五级的部分级联干涉仪,均为该实验的创新点和技术难点。而十六步的演化也开创了单光子量子行走迄今为止最长演化纪录。

这一理论的提出及实验的验证颠覆了人们以前对量子行走的认识,并为量子行走在量子信息中的应用提供了新的方向,为理解基于量子力学的动力学演化的基本现象提供了新的视角,同时也为研究量子扩散及对拓扑现象的量子模拟提供了新的思路。

据悉,薛鹏教授自2013年下半年开始负责建设东南大学量子光学实验平台,在物理系领导的大力支持下,在基金极其匮乏的情况下,通过集中使用资金,解决科研平台空间狭小、建设滞后的问题,建设和完善科研平台。在短短一年半的时间内实现从理论向实验的华丽转身,对量子行走这一课题开展了开创性和系统性的实验研究,率先观测到量子行走中的光子的局域化现象及准周期现象,可以用于模拟和解释复杂物理现象如:狄拉克颤动(zitterbewegung),安德森局域化(Anderson localization),布洛赫振荡(Bloch oscillation),朗道-齐纳隧穿(Landau-Zener tunneling)等,并且在知名学术期刊上New Journal of Physics及Scientific Reports等发表了相关的实验论文。

该论文的合作者为现就职于中国科学技术大学及加拿大卡尔加里大学的Barry C. Sanders教授。上述研究得到了基金委、科技部、教育部等的支持。(蒋红燕)