量子随机行走在超导量子系统中的实现及其应用研究

Quantum walk can be used to design universal model for quantum computation and develop fast quantum algorithms for searching and transport. And the superconducting quantum system, which consists of superconducting qubits and cavities, has been considered as one of the most promising candidates for quantum computation. At present, there are only a few works in studying quantum walk with the superconducting system. In this project, we will study quantum walk in superconducting quantum system. Specifically, we will focus on: (1)implementation of quantum walk in phase space with superconducting quantum system; (2)implementation of quantum walk in one-dimension and multi-dimension superconducting quantum network; (3)using quantum walk to demonstrate and test several quantum effects and quantum algorithms. The results of this project can be used to direct experiments of quantum walk in superconducting quantum system and improve theoretical and experimental researches of network constructions and quantum algorithms in superconducting quantum system. This project is also important to the realization of large scale solid state quantum computation.

量子随机行走可用于实现通用量子计算算法和快速的搜索、传输等量子算法。而由超导量子比特和超导腔等构成的超导量子系统被认为是最有希望实现量子计算的物理系统之一。目前国际上在超导量子系统中实现量子随机行走的研究工作较少，尚处于起步阶段。本项目将研究超导量子系统中的量子随机行走过程，拟开展的主要研究工作有：（1）研究如何在超导量子系统中实现相空间的量子随机行走；（2）研究如何在一维及多维超导量子网络中实现量子随机行走；（3）研究如何在超导量子系统中利用量子随机行走验证各种量子力学效应和实现各种量子算法。本项目的研究结果可用于指导在超导量子实验中实现量子随机行走过程，并可以促进超导量子系统中网络结构及各种量子算法的理论和实验研究，因此在固态量子信息和量子计算的物理实现等方面具有重要的意义。

本项目主要研究如何在超导量子系统中实现量子随机行走，项目执行过程中基本上按照原研究计划进行，实际研究内容和结果有：1.研究了超导量子系统中态制备、态传输等量子随机行走方案所需基本操作的实现方案，2.提出了新的相空间量子随机行走方案，只需要一个量子比特即可编码行走者的位置空间，大大降低了实验器件的数量和要求。3.提出了新的一维超导比特链上的高效量子随机行走方案，数值模拟结果表明在目前的超导量子系统实验技术水平下，利用该方案进行多步量子随机行走仍可得到较好的结果。4.提出了新的二维超导比特和超导腔网格结构及二维量子随机行走理论方案，并利用该方案提出了Grover walk搜索算法在超导系统中的实现方案。这些研究结果可直接用于指导超导量子系统中的量子随机行走实验，并可促进超导量子系统中1、2维网络结构及各种量子算法的理论和实验研究。本项目的结果可在一定程度上促进在固态量子信息和量子计算的物理实现等方面的发展。