利用超材料执行量子搜索算法

超材料(Metamaterials),人工设计的微纳结构可以呈现天然材料所不具备的电磁物理特性。经过近二十年的研究,利用超材料已经实现了各种新奇的现象,如负折射,高频磁响应以及隐身等。基于这些人工微结构,很多性能卓越的电磁仪器被设计和制造出来。但是具有量子效率的超材料器件仍然处于探索阶段。本文的研究者设计并制备出了可以执行量子搜索算法的超材料芯片,有趣的是这样的芯片能在经典微波环境下演示出单个和多个目标的搜索过程。这种可以执行量子搜索算法的超材料芯片在全光集成计算领域具有重要的意义。

量子搜索算法是一种典型的量子算法, 它拥有 (N代表等效搜索数据的数目)的搜索效率,比经典搜索算法的搜索效率(N)要高。近期,来自北京理工大学的张向东教授课题组(张蔚暄博士生和张向东教授)与同济大学李宏强教授课题组合作,设计并制作了可以完成量子搜索算法的Metamaterial波基芯片。该超材料是利用3D打印技术在介电薄板上加工了大小不一的周期性空气孔制备而成。通过设计空气孔的形貌和分布对入射光波前进行有效的操控,从而完成全光搜索算法。当入射光进入所设计的超材料中并在超材料内部迭代传播时,入射波前也会不断的进行处理。在光传播个周期后,入射能量会完全局域在搜索的空间位置上,即完成了搜索过程,且搜索效率与量子搜索效率一致。这种具有量子搜索功能的超材料器件,为人们提供了具有量子效率的光操纵新方法,对于未来基于电磁场的搜索方案具有重要的启发。

相关文章在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703986)上。

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