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第一次給出了量子速度上限的最優(yōu)表達式，并在實驗上顯示了真實的量子演化速度可以無限接近但不會超越該上限。這項研究成果2024年5月24日在線發(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)確理解這種速度限制有助于實事求是地推動量子信息技術(shù)的應(yīng)用。量子絕熱捷徑方法是量子計算中常用的量子調(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，有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)到底能將量子態(tài)的演化速度提升多少是一個受到廣泛關(guān)注的問題?；?/span>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著一種權(quán)衡，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。

研究人員發(fā)現(xiàn)，以往得到的權(quán)衡關(guān)系并不能準(zhǔn)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、真實的演化速度無法達到理論上求得的量子速度極限。通常使用Cauchy-Schwarz不等式所得到的量子速度極限遠遠大于真實的演化速度，不能準(zhǔn)確反映出量子系統(tǒng)的情況；二、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。在本項工作的理論研究部分，研究人員巧妙地利用s參數(shù)化相空間方法對量子速度極限進行二次縮放，從而解決了上述問題。s參數(shù)化相空間是一系列相空間的集合，例如，常見的Wigner相空間即s=0情形。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要更優(yōu)。研究人員通過緊量子速度極限的嚴(yán)格證明，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)量子速度極限可以用以往很少關(guān)注的s=-∞相空間來描述，由此提出了一個輔助驅(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。

針對以上理論上的結(jié)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(tǒng)是世界上公認(rèn)的在相干時間，量子態(tài)制備、量子態(tài)操作和測量等關(guān)鍵參數(shù)全面超過量子容錯計算閾值的系統(tǒng)，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術(shù)應(yīng)用優(yōu)越性的物理系統(tǒng)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(zhí)行了著名的朗道-齊納模型（Landau-Zener model）。首先是借助單個超冷鈣離子的三能級結(jié)構(gòu)，利用機器學(xué)習(xí)等輔助手段精確制備了不同的初態(tài)。然后通過激光的精準(zhǔn)操控，測量到體系的真實量子速度，并與理論結(jié)論作對比。結(jié)果顯示，相比以前的理論結(jié)果，本項研究中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，更準(zhǔn)確地代表了量子速度的極限，即量子速度的最優(yōu)極限。

（左）：實際速度與兩種量子速度極限隨時間演化的比較。（右）：在朗道-澤那模型的免交叉時間窗口內(nèi)，實際的量子速度-功耗權(quán)衡關(guān)系與理論上的量子速度-功耗權(quán)衡關(guān)系之間的對比。其中藍色數(shù)據(jù)點為實驗測量值，藍色線條為對實驗值的擬合，誤差棒為50,000次測量的標(biāo)準(zhǔn)差；紅色線條為本項目得到的理論結(jié)果；紫色線條為原來文獻中的理論結(jié)果

該研究成果為量子信息處理中速度與功耗之間的權(quán)衡建立了一個更為準(zhǔn)確的解析不等式，并在實驗上做了精準(zhǔn)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(nèi)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(quán)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