量子速度極限研究取得進展

近日，中科院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院束縛體系量子信息處理研究組與廣州工業(yè)技術(shù)研究院、廣州工業(yè)智能研究院、蘇州大學等合作，探討了量子速度極限對量子信息處理的影響，并基于囚禁離子實驗平臺，實驗證實了理論上獲得的量子速度的最優(yōu)上限。該研究通過量子絕熱捷徑操作給出了量子速度上限的最優(yōu)表達式，并在實驗上驗證了真實的量子演化速度可以無限接近但不會超越該上限。 [l44,!Z
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量子力學中的海森堡不確定原理給出了能量變化與時間之間的權(quán)衡關(guān)系，由此限制了量子態(tài)演化的最大速度。準確理解這一速度限制有助于推動量子信息技術(shù)的應(yīng)用。量子絕熱捷徑方法是量子計算常用的量子調(diào)控手段，是通過增加輔助驅(qū)動場的方式實現(xiàn)與傳統(tǒng)絕熱過程相同的效果，但能夠加快量子門操作的速度，利于在退相干時間內(nèi)盡快完成相應(yīng)的量子過程。由于受制于量子速度極限，量子絕熱捷徑技術(shù)能夠?qū)⒘孔討B(tài)的演化速度提升多少是熱點問題�；�于海森堡不確定原理，輔助驅(qū)動場的功耗與量子態(tài)演化速度極限之間存在一種權(quán)衡，而這種權(quán)衡決定了如何以最小化能量成本實現(xiàn)演化速度的極限。 ,Tp:. "  
研究發(fā)現(xiàn)，以往得到的權(quán)衡關(guān)系無法準確反映出量子系統(tǒng)真實的演化速度。主要存在的問題有：一是真實的演化速度無法達到理論上求得的量子速度極限。通常情況下，使用Cauchy-Schwarz不等式得到的量子速度極限大于真實的演化速度，不能準確反映出量子系統(tǒng)的情況；二是量子速度極限無法真實反映量子態(tài)本身的演化趨勢，有時甚至是完全相反的描述。在此次工作的理論研究部分，科研人員利用s參數(shù)化相空間方法對量子速度極限進行二次縮放，解決了上述問題。s參數(shù)化相空間是一系列相空間的集合，如常見的Wigner相空間即s=0情形。研究發(fā)現(xiàn)，由于s參數(shù)具有連續(xù)性，因此總可以找到所有相空間的一個子集，使得二次縮放后的量子速度極限比以往得到的量子速度極限更優(yōu)。研究通過對量子速度極限的嚴格證明，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)量子速度極限可以利用以往較少關(guān)注的s=-∞相空間來描述，提出了輔助驅(qū)動場的功耗與量子態(tài)演化速度極限之間新的權(quán)衡關(guān)系表達式。 pPL)!=o!  
該研究運用離子阱量子操控技術(shù)進行驗證�？蒲腥藛T基于鈣離子量子精密測量平臺，運用量子絕熱捷徑技術(shù)執(zhí)行了朗道-齊納模型。該研究借助單個超冷鈣離子的三能級結(jié)構(gòu)，利用機器學習等輔助手段制備了不同的初態(tài)。進一步，研究通過激光的精準操控，測量出體系的真實量子速度，并與理論結(jié)論進行對比。結(jié)果顯示，與以前的理論結(jié)果相比，該工作獲得的量子速度極限能夠真實地反映量子態(tài)的演化速度和趨勢，并可以更準確地代表量子速度的極限即量子速度的最優(yōu)極限。 `vjn,2S}  
上述成果為量子信息處理中速度與功耗之間的權(quán)衡建立了更準確的解析不等式，并在實驗上做了精準的檢驗。這有助于科學家更深入地探討量子力學的基本原理，并可以加深科學家對量子技術(shù)中內(nèi)稟存在的根本性限制的認知。 h4p<n&)F  
相關(guān)研究成果以Single-Atom Verification of the Optimal Trade-Off between Speed and Cost in Shortcuts to Adiabaticity為題發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金以及廣州市的支持。
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論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.213602