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精密測量院在量子速度極限探索方面取得新進(jìn)展

來(lái)源:     時(shí)間:2024-05-27

近日,精密測量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(xué)等單位合作,探索了量子速度極限對于量子信息處理的影響,并基于囚禁離子實(shí)驗平臺,實(shí)驗證實(shí)了理論上獲得的量子速度的最優(yōu)上限。該研究通過(guò)量子絕熱捷徑操作第一次給出了量子速度上限的最優(yōu)表達式,并在實(shí)驗上顯示了真實(shí)的量子演化速度可以無(wú)限接近但不會(huì )超越該上限。這項研究成果2024年5月24日在線(xiàn)發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《物理評論快報》Physical Review Letters上。

量子力學(xué)中的海森堡不確定原理給出了能量變化與時(shí)間之間的權衡關(guān)系,由此限制了量子態(tài)演化的最大速度。準確理解這種速度限制有助于實(shí)事求是地推動(dòng)量子信息技術(shù)的應用。量子絕熱捷徑方法是量子計算中常用的量子調控手段,是通過(guò)增加輔助驅動(dòng)場(chǎng)的方式實(shí)現與傳統絕熱過(guò)程相同的效果,但能夠加快量子門(mén)操作的速度,有利于在退相干時(shí)間內盡快完成相應的量子過(guò)程。由于受制于量子速度極限,量子絕熱捷徑技術(shù)到底能將量子態(tài)的演化速度提升多少是一個(gè)受到廣泛關(guān)注的問(wèn)題?;?/span>海森堡不確定原理,輔助驅動(dòng)場(chǎng)的功耗與量子態(tài)演化速度極限之間存在著(zhù)一種權衡,這種權衡決定了如何以最小化能量成本實(shí)現演化速度的極限。

研究人員發(fā)現,以往得到的權衡關(guān)系并不能準確反映出量子系統真實(shí)的演化速度。主要存在的問(wèn)題有:一、真實(shí)的演化速度無(wú)法達到理論上求得的量子速度極限。通常使用Cauchy-Schwarz不等式所得到的量子速度極限遠遠大于真實(shí)的演化速度,不能準確反映出量子系統的情況;二、量子速度極限無(wú)法真實(shí)反映量子態(tài)本身的演化趨勢,有時(shí)甚至是完全相反的描述。在本項工作的理論研究部分,研究人員巧妙地利用s參數化相空間方法對量子速度極限進(jìn)行二次縮放,從而解決了上述問(wèn)題。s參數化相空間是一系列相空間的集合,例如,常見(jiàn)的Wigner相空間即s=0情形。由于s參數具有連續性,因此總可以找到所有相空間的一個(gè)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要更優(yōu)。研究人員通過(guò)緊量子速度極限的嚴格證明,發(fā)現最優(yōu)量子速度極限可以用以往很少關(guān)注的s=-∞相空間來(lái)描述,由此提出了一個(gè)輔助驅動(dòng)場(chǎng)的功耗與量子態(tài)演化速度極限之間新的權衡關(guān)系表達式。

針對以上理論上的結論,研究人員運用離子阱量子操控技術(shù)做了驗證。離子阱系統是世界上公認的在相干時(shí)間,量子態(tài)制備、量子態(tài)操作和測量等關(guān)鍵參數全面超過(guò)量子容錯計算閾值的系統,目前最有希望展現量子技術(shù)應用優(yōu)越性的物理系統之一。在本項工作中,研究人員基于鈣離子量子精密測量平臺,運用量子絕熱捷徑技術(shù)執行了著(zhù)名的朗道-齊納模型Landau-Zener model。首先是借助單個(gè)超冷鈣離子的三能級結構,利用機器學(xué)習等輔助手段精制備了不同的初態(tài)。然后通過(guò)激光的精準操控,測量到體系的真實(shí)量子速度,并與理論結論作對比。結果顯示,相比以前的理論結果,本項研究中獲得的量子速度極限能夠真實(shí)地反映量子態(tài)的演化速度和趨勢,更準確地代表了量子速度的極限,即量子速度的最優(yōu)極限。

(左):實(shí)際速度與兩種量子速度極限隨時(shí)間演化的比較。(右):在朗道-澤那模型的免交叉時(shí)間窗口內,實(shí)際的量子速度-功耗權衡關(guān)系與理論上的量子速度-功耗權衡關(guān)系之間的對比。其中藍色數據點(diǎn)為實(shí)驗測量值,藍色線(xiàn)條為對實(shí)驗值的擬合,誤差棒為50,000次測量的標準差;紅色線(xiàn)條為本項目得到的理論結果;紫色線(xiàn)條為原來(lái)文獻中的理論結果

該研究成果為量子信息處理中速度與功耗之間的權衡建立了一個(gè)更為準確的解析不等式,并在實(shí)驗上做了精準的檢驗。這有助于人們更深入地理解量子力學(xué)的基本原理,也能加深對量子技術(shù)中內稟存在的根本性限制的理解。

該研究以“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。論文的共同第一作者為博士后章嘉偉、博士生卜錦濤、本科生孟維權和博士后李加沖;通訊作者為蘇州大學(xué)徐震宇教授、精密測量院周飛副研究員和馮芒研究員。

該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、中國博士后基金項目和廣州市多項基金項目的資助。

文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.213602