【研究背景与意义】：
量子行走（Quantum Walks, QWs）是量子计算和量子信息处理中的一个核心概念，它基于量子叠加原理，能够在多个计算问题中提供超越经典算法的速度优势。量子行走在多个物理平台上得到了实现，包括原子、离子、核磁共振、超导系统和光学系统。该研究在三维集成光子芯片上实现了多粒子量子行走，这对于扩展量子行走的态空间和图复杂性具有重要意义，为大规模量子模拟提供了新的实验范式。
【研究内容与方法】：
研究团队通过在三维光子芯片上实现三个光子的量子行走，构建了一个具有6859个节点和45,486条边的复杂图。这个图映射到一个19×19×19的高维态空间，通过统计输出组合，并结合机器学习技术，成功验证了实验的非经典特性。实验中使用的是三角形晶格，这种晶格具有更高的节点连接性，从而增加了图的复杂性。
实验装置包括量子态制备、芯片上的酉操作和关联测量。使用飞秒脉冲激光通过自发参量下转换产生关联光子，并通过波片设置光子的偏振态。然后将三个光子耦合进偏振保持光纤，并耦合到光子芯片中。通过移动棱镜补偿外部延迟，实现了不同下转换光子之间的非经典干涉。输出的波导与多模式V形槽光纤阵列相连，并最终连接到雪崩光电探测器。实验中使用了自开发的多通道符合模块同时记录输出相关事件。
【实验结果与分析】：
实验结果表明，通过增加光子数量和模式数量，可以扩展图的复杂性和连接性。在三光子情况下，实验观察到了明显的非经典相关性和非相邻模式之间的多光子量子干涉。
在实验中，研究团队还观察到了量子聚束效应，这是一种非经典关联，其中多光子倾向于在同一位置出现。通过在实验中测量2光子和3光子聚束效应，研究团队进一步证实了量子行走中的非经典特性。
图1：不同维度下的图表示。
图2: 实验装置和光子强度分布。
图3: 三光子关联的模拟结果和测量结果。
图4：三光子量子行走的非经典特性。
W.-H. Zhou, X.-W. Wang, R.-J. Ren, Y.-X. Fu, Y.-J. Chang, X.-Y. Xu, H. Tang, and X.-M. Jin, "Multi-particle quantum walks on 3D integrated photonic chip," Light Sci Appl 13(1), 296 (2024).
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