用「硬幣」控制量子行走方向

2020-11-02 科技工作者


研究原理圖。

在飛行棋遊戲中，我們常用拋硬幣的方式決定前進的方向。正面？向左走一步。反面？向右走一步。在量子世界中呢？同時向兩個方向移動。

這種隨機過程被稱作「行走者類比」，可以運用於經典算法和量子算法中，幫助研究人員開發人工智慧和數據搜索等技術。然而，這種隨機性也使量子行走難以控制，令系統的精確設計變得異常困難。

phys.org網站當地時間10月29日報導，日本廣島大學的研究人員通過揭示每個量子步的方向決定機制以及引入控制運動方向的潛在方法，向更加可控的量子行走邁出了一大步。相關結果發表於《科學報告》雜誌中。

論文作者、廣島大學研究人員Haruna Katayama介紹道：「為了探索可控性，我們將研究重點放在了決定量子行走行為的『硬幣』上。」

傳統理論上，硬幣引導行走者在空間中的移動方向只有左或右。而在量子系統中，硬幣的可靠性就變得很低了，因為行走者既像單一空間中的一顆粒子，又像一個跨越時間的無限延伸的波。

Katayama說：「我們引入了一種隨時間變化的硬幣。它以正面或反面著陸的概率會隨時間變化。」研究人員發現，這種時間函數硬幣可以改變行走者的位置，但行走者的波動特徵掩蓋了硬幣所控制的物理空間的大小。

Katayama接著說：「我們首次成功闡明了兩個完全不同的概念具有等價性——硬幣概率變化率和波速變化率。這個機制使我們能夠在保留隨機過程的前提下，通過操縱硬幣控制量子行走。這為量子計算等創新性量子信息處理技術提供了核心基礎要素。」

研究人員認為，硬幣的翻轉速度直接影響了波的移速，從而在一定程度上控制了行走者的運動。

Katayama說：「在這一機制下，我們完全能夠通過控制拋硬幣的速度按意願『定製』量子行走。此外，我們還發現可以通過不同的硬幣設計實現定製軌跡的量子行走。」

編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《科學報告》

期刊編號：2045-2322

原文連結：https://phys.org/news/2020-10-coin-flip-quantum-world.html

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