[论文解读] Realization of a quantum walk in momentum space with a Bose-Einstein condensate

Siamak Dadras, Alexander Gresch+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 13被引用 1

一句话总结

该论文通过超冷铷原子的动量态实现了离散时间量子行走，其中内部超精细态作为量子币自由度。通过相干操控量子币和位移操作，作者在动量空间中实现了鲁棒的量子行走动力学，展现出干涉效应以及对行走方向的可控偏置或反转——凸显了其相对于经典随机行走的关键量子优势。

ABSTRACT

Randomness is the essence of many processes in nature and human society. It can provide important insights into phenomena as diverse as disease transmission, financial markets, and signal processing. Quantum randomness is intrinsically different from classical stochasticity since it is affected by interference and entanglement. This entanglement makes quantum walks promising candidates for the implementation of quantum computational algorithms and as a detector of quantum behavior. We present a discrete-time quantum walk that uses the momentum of ultra-cold rubidium atoms as the walk space and two internal atomic states as the degree of freedom. We demonstrate the principle features of a quantum walk, contrasting them to the behavior of a classical walk. By manipulating either the walk or coin operator we show how the walk dynamics can be biased or reversed. Our walk offers distinct advantages arising from the robustness of its dynamics in momentum space, and extendability to higher dimensions and many-body regimes.

研究动机与目标

• 利用超冷原子作为量子模拟平台，在动量空间中实现离散时间量子行走。
• 对比量子行走动力学与经典随机 walk，强调干涉和纠缠效应。
• 通过操控量子币和位移算符，实现对行走动力学的控制，实现对行走方向的偏置或反转。
• 探索该系统在更高维度和多体量子行走实现中的鲁棒性与可扩展性。

提出的方法

• 利用铷-87原子的玻色-爱因斯坦凝聚体在自旋依赖的光晶格中定义动量空间的行走。
• 利用原子的两个内部超精细态作为量子币，实现叠加态和酉演化。
• 应用一系列受控操作：在内部态空间中的量子币翻转（酉旋转），随后是动量位移（基于内部态的条件动量冲激）。
• 通过时间分辨的动量分布测量追踪行走演化并观测量子干涉图案。
• 实施对量子币算符的动态控制，以引导行走方向或引入偏置。
• 利用超冷原子系统的稳定性和相干性，保持多个行走步长的量子相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用超冷原子在动量空间中实现离散时间量子行走？
• RQ2 在此系统中，量子行走动力学与经典随机行走相比具有哪些显著特征？
• RQ3 能否通过操控量子币或位移算符来控制行走的方向与对称性？
• RQ4 该量子行走在动量空间实现中对实验不完美性的鲁棒性如何？
• RQ5 该系统在向更高维度和多体量子行走扩展方面具有哪些前景？

主要发现

• 实验成功在动量空间中实现了基于玻色-爱因斯坦凝聚体的离散时间量子行走，实现了对行走演化的相干控制。
• 动量分布中清晰的干涉图案证实了行走的非经典特性，与经典随机行走的扩散展宽形成鲜明对比。
• 通过调节量子币算符，可实现行走方向的反转或偏置，展示了对量子输运的主动控制能力。
• 由于光晶格中动量态的稳定性，系统表现出鲁棒的动力学特性，实现了长寿命的量子相干性。
• 该平台可扩展至更高维度和多体系统，因为相同原理适用于多模动量态和纠缠原子系综。
• 观测到的行走动力学表现出弹道展宽特性，这是量子行走的典型特征，与经典行走的扩散展宽形成鲜明对比。