基于可编程光量子芯片系统的量子漫步模拟及算法实现

Quantum walk is an important theoretical model in the field of quantum information processing. It is an important framework and tool for designing quantum algorithms and it possesses great potentials for quantum computation, quantum simulation, quantum chemistry and biology applications. Integrated quantum photonics devices which are based on integrated optics technologies, have high integration density and great stability and thus are ideal platforms for implementing quantum walk experiments and also it is an important approach for realizing quantum walk devices for practical applications. This protocol aims to design and implement reconfigurable integrated quantum photonics device for simulating quantum walks, where single-photon sources and universal quantum walk implementation units are integrated on a single chip. This would realize a high-integration, highly stable and universal experimental platform for quantum walks. Using this quantum walk platform, we will study the quantum walks on complex graphs, the behaviors of multiple-particle quantum walks for different kinds of particles and the performance of typical quantum walk algorithms and also experimentally demonstrate the theoretical results. This protocol for quantum walk integrated photonics device will also be beneficial for implementing future complex integrated quantum photonics devices for quantum information processing.

量子漫步是量子信息技术领域的重要理论模型，是设计量子算法的重要框架和工具，它在量子计算、量子模拟、量子化学及生物学等领域具有巨大的应用潜力。基于集成光学技术的光量子芯片因其集成度高、稳定性好，是量子漫步物理实现的理想系统，也是实现实用化量子漫步系统及算法应用的重要途径。本项目拟基于集成光量子芯片技术，设计并研制可编程的量子漫步光量子芯片，在单个芯片上同时集成单光子源及通用量子漫步实现网络，从而实现高集成度、高稳定性及通用性的量子漫步实验平台。基于该量子漫步实验系统，对复杂图上的量子漫步、不同属性的多粒子量子漫步以及典型的量子漫步算法进行理论研究和实验实现。该量子漫步模拟芯片研究也将为后续复杂集成光量子计算芯片的设计研制奠定理论和技术基础。

量子漫步是量子计算领域的重要理论模型，是量子算法设计开发的重要框架和工具，具有巨大的应用潜力。集成光学量子芯片技术具有集成度高、稳定性好、可扩展等优势，是量子漫步物理实现的理想途径。本项目基于硅基集成光学技术，对集成光量子芯片系统上连续时间量子漫步及典型量子漫步算法的理论模拟和物理实现开展系统性研究：（1）创新提出了基于光子纠缠操控与可编程光学网络的通用多粒子量子漫步模拟光量子芯片架构，芯片架构易于扩展，可通过提升芯片上的光子数目及可配置光学网络的维度进行计算能力扩展；（2）研制实现了国际首个硅基可编程通用量子漫步模拟光量子芯片，芯片集成纠缠光子源、可编程光学网络等上百个光量子元器件，通过电学调控片上器件实现对片上光量子态的产生及操控，可实现量子漫步哈密顿量、演化时间、粒子全同性、粒子交换特性等要素完全调控，进行不同参数的量子漫步过程模拟；（3）构建完成了软硬件一体的通用多粒子量子漫步模拟原型实验系统，并基于系统开展了量子漫步理论及算法的研究与验证，包括属性可调的多粒子量子漫步演化模拟、复杂图上量子漫步动态演化特性模拟、量子漫步图顶点搜索算法、量子漫步图同构判定算法以及量子漫步网络节点排序算法等。同时，本项目以硅基可编程通用量子漫步模拟光量子芯片研制为核心，对大规模可编程光量子芯片的设计、研制、标定与测试技术，以及软硬件一体集成光学量子计算系统的设计与实现等关键技术取得了突破，这为未来设计研制面向实际应用的大规模硅基可编程专用光量子计算芯片系统奠定技术基础。