Novel Applications of Quantum Walk Explored by Controlling Boundary Conditions

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01828
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Okamoto Ryo 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10435951)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小布施 秀明 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50415121)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 量子ウォーク / 量子光学 / 量子探索 / 量子シミュレーション

Outline of Final Research Achievements

In this study, we focused on the boundary conditions in quantum walk systems and aimed to realize a quantum walk system with two-dimensional boundary conditions that possess translational symmetry. As a result, we succeeded in generating optical states with special spatial modes and optimizing the efficiency of their generation. Furthermore, we realized the spatial shift operation for the photons in such spatial modes. Additionally, we theoretically proposed and experimentally demonstrated a novel method for analyzing the time evolution of quantum systems, which is useful for the analysis and evaluation of quantum walks using photons.

Free Research Field

量子光学、量子コンピューティング、量子センシング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来の量子ウォークの実験的な研究は、その多くで境界条件が考慮されておらず、境界で粒子が失われる吸収境界条件で行われてきた。これは、確率保存が成立しない特殊な系であり、その応用も限られる。本研究で実現した量子ウォークの時間発展は、周期境界条件を実装できるため、多様な応用につながる。例えば、古典系よりも高速な「量子探索」が、2次元の周期境界条件により実現できる。さらに、境界が重要な役割を果たす様々なトポロジカルな現象の探索にもつながる。このように、本研究成果の波及効果により、多岐にわたる学術的・社会的意義が期待できる。