近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)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(xué)等合作，探討了量子速度極限對(duì)量子信息處理的影響，并基于囚禁離子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論上獲得的量子速度的最優(yōu)上限。該研究通過量子絕熱捷徑操作給出了量子速度上限的最優(yōu)表達(dá)式，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了真實(shí)的量子演化速度可以無限接近但不會(huì)超越該上限。

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(quán)衡關(guān)系，由此限制了量子態(tài)演化的最大速度。準(zhǔn)確理解這一速度限制有助于推動(dòng)量子信息技術(shù)的應(yīng)用。量子絕熱捷徑方法是量子計(jì)算常用的量子調(diào)控手段，是通過增加輔助驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的方式實(shí)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(shí)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(diǎn)問題。基于海森堡不確定原理，輔助驅(qū)動(dòng)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)演化速度的極限。

研究發(fā)現(xiàn)，以往得到的權(quán)衡關(guān)系無法準(zhǔn)確反映出量子系統(tǒng)真實(shí)的演化速度。主要存在的問題有：一是真實(shí)的演化速度無法達(dá)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(shí)的演化速度，不能準(zhǔn)確反映出量子系統(tǒng)的情況；二是量子速度極限無法真實(shí)反映量子態(tài)本身的演化趨勢(shì)，有時(shí)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(duì)量子速度極限進(jìn)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(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更優(yōu)。研究通過對(duì)量子速度極限的嚴(yán)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(dòng)場(chǎng)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(dá)式。

該研究運(yùn)用離子阱量子操控技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。科研人員基于鈣離子量子精密測(cè)量平臺(tái)，運(yùn)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(gè)超冷鈣離子的三能級(jí)結(jié)構(gòu)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等輔助手段制備了不同的初態(tài)。進(jìn)一步，研究通過激光的精準(zhǔn)操控，測(cè)量出體系的真實(shí)量子速度，并與理論結(jié)論進(jìn)行對(duì)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(shí)地反映量子態(tài)的演化速度和趨勢(shì)，并可以更準(zhǔn)確地代表量子速度的極限即量子速度的最優(yōu)極限。

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(zhǔn)確的解析不等式，并在實(shí)驗(yàn)上做了精準(zhǔn)的檢驗(yàn)。這有助于科學(xué)家更深入地探討量子力學(xué)的基本原理，并可以加深科學(xué)家對(duì)量子技術(shù)中內(nèi)稟存在的根本性限制的認(rèn)知。

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(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金以及廣州市的支持。

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