“破缺的力量”——时间反演对称性破缺带来的量子输运增强效应演示

时间反演对称破缺在凝聚态物理和光子学领域已有深入研究，在非互易光子器件、信号路由和光子源保护等应用中展现出独特优势。量子行走是经典随机行走的量子版本，作为一种基础模型被广泛应用于量子模拟和量子计算。将时间反演对称破缺的概念引入量子行走中会催生哪些新现象与新应用呢？自2013年时间反演对称破缺量子行走模型[1]提出以来，出现了量子输运增强、量子态转移和量子算法提升等多种应用的理论研究，但是相应的实验实现和演示进展缓慢。硅基光量子芯片具有与CMOS工艺兼容、可扩展、高稳定性和可配置等优点，是一种理想的集成化量子信息处理平台，也被广泛用于量子行走的实验研究[2]。

在最近发表于SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2022年第10期的题为“Experimental demonstration of quantum transport enhancement using time-reversal symmetry breaking on a silicon photonic chip”的工作中[3]，研究人员在硅基光量子芯片上演示了时间反演对称破缺的量子行走，展示了时间反演对称破缺对量子输运过程的巨大增强效应。该工作由国防科技大学徐平教授课题组完成，王洋博士生为第一作者。此外，期刊同期发表了由清华大学龙桂鲁教授为此文撰写的点评文章[4]。

图1 实验装置示意图

研究人员设计实现了含预报型量子光源的量子行走模拟芯片，包含高亮度的微环光子源和可配置的线性光学网络，如图1所示。光子对通过微环中的自发四波混频过程（SFWM）产生，不等臂干涉仪耦合的微环是一种可调谐的光子源结构，通过调节不等臂干涉仪使微环工作在最大过耦合状态，可以将光子对产率优化到最大[5，6]。微环产生的光子对在进入量子行走模拟光路前，先经过两级不等臂干涉仪将泵浦光滤除和将信号、闲置光子分开，信号光子作为预报光子直接接入探测器，闲置光子作为被预报光子进入线性光学网络进行量子行走模拟。在时间反演对称破缺量子行走模型中，任意时刻的演化都可以用幺正算符描述，从而可以通过可配置线性光学网络实现。7个路径模编码了量子行走的位置空间，马赫-曾德干涉仪构成的线性光学网络可以实现7维以内任意幺正算符，从而模拟规模在7节点以内的图上任意时刻量子行走的演化算符。通过信号光子和演化后不同路径输出闲置光子的符合计数，可以计算得到相应图节点上的量子行走概率。

图2 (a)三节点环形图R3；(b)三节点环形图上标准量子行走从节点1出发各节点随时间演化的概率；(c) 三节点环形图上时间反演对称破缺量子行走从节点1出发各节点随时间演化的概率。

如图2(a)所示，三节点环是展示时间反演对称破缺量子行走最简单的图结构。通过给边加相位，可以在保持量子行走哈密顿量厄米性的条件下打破时间反演对称性。通过配置线性光学网络可以实现不同时刻量子行走的模拟。图2(b)展示了三节点环形图上从节点1出发标准量子行走到达各节点的概率随时间的演化，保持了时间反演对称性。图2(c)展示了通过给节点2到节点3之间的边加Pi/2相位打破时间反演对称性的量子行走过程，时间反演对称破缺量子行走不仅为行走过程引入了方向性，还实现了节点之间的完美态转移，体现了量子输运效率的提升。

图3 (a)-(c)分别为量子开关(G6)、量子输运(Chain of R3)以及简化光合作用能量转移(Simplified FMO)的模型。

图4 实验实现的量子增强汇总。

得益于硅基光量子芯片的集成性和可配置性，6节点图和7节点图上的时间反演对称破缺量子行走也进行了模拟，我们分别展示了量子开关功能和量子输运速度的提升，模型见图3的(a)-(c)，实验实现的量子增强结果汇总于图4。在简化的光合作用能量转移模型中，时间反演对称破缺量子行走展现出了量子输运效率和速度的提升，启发了光合作用能量转移过程的研究。论文中的量子行走模拟实验保真度都高于99%，体现了芯片在矩阵实现方面具有高精度的优势，同时也体现了实现装置的鲁棒性。该芯片不仅限于模拟量子行走，还可用于其他多种量子算法的实现。

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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