近期，北京计算科学研究中心的薛鹏教授课题组对量子系统具有内在的可逆性的研究取得进展，在光量子行走中实验实现了不依赖演化过程的量子态恢复。研究成果于2024年8月9日以“Experimental Revival of Unknown State From the Past in Quantum Walks”为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review，nwae263, https://doi.org/10.1093/nsr/nwae263）。
封闭的量子系统具有内在的可逆性，这一特性由量子演化的幺正性所保证。因此，原则上，可以将量子系统恢复到其任何过去时刻的状态，这与宏观世界中物理过程沿着单一时间方向演化的规则形成了对比。实际上，对于一个量子系统恢复其过去状态依然是一个极具挑战性的问题。这是因为当对系统的演化过程缺乏任何先验信息时，恢复过去的状态几乎是不可能的。量子系统的演化通常受到复杂的量子力学规则的制约，这些规则使得即使是微小的初始状态或演化步骤的变化，也可能导致系统演化的不可预测性。因此，在缺乏详细演化信息的情况下，追溯到特定的历史状态在实践中几乎无法实现。在量子行走中，这一问题被称为量子态的复现。之前的研究中，量子行走中的态复现通常是特殊量子行走的周期性所带来的现象，而在一维量子行走中，行走者总是展现出弹道扩散的行为而不会恢复到初始的局域状态。
针对上述问题，薛鹏教授团队设计了一种巧妙的干预操作方案，使得仅需对硬币系统进行两次干预，就能在任意偶数步骤后恢复历史演化的行走者-硬币量子态。该团队利用光子在偏振态的控制下在其轨道角动量空间上行走，在光量子行走中成功演示了这一量子态复现方案。该实验展示了上述态复现的现象不依赖行走者初态及所演化的步数，也不需要行走过程的详细信息。此外，该团队还实验演示这种态复现的方案可以简化得到行走者在位置空间几率分布的复现。同时，也实验实现用于在量子行走中引入周期性。
上述研究展示了一种新奇的量子系统复现其历史状态的物理现象，揭示了量子系统中潜在的可逆性和复杂性，也为量子态调控及量子器件的格式化提供了新的启示。
图2 不同初态（行）及不同硬币抛掷算符（列）时态复现及其产生的周期性
北京计算科学研究中心的霍丙子为该论文的第一作者，其理论合作者为东南大学的詹翔教授。该成果获得了国家杰出青年科学基金和基金委第二代量子体系的构筑和操控重大研究计划重点支持项目的资助。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae263
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