相空间优化量子速度极限的新进展

近日，广州工业技术研究院量子精密测量研究中心与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、广州工业智能研究院、苏州大学等单位合作，探索了量子信息处理过程中的量子速度极限问题，并利用超冷的⁴⁰Ca⁺离子平台，实验证实了理论上获得的量子速度的最优上限，即真实的量子演化速度可以无限接近但不会超越该上限。研究人员基于该上限，以量子绝热捷径操作为例，在实验上优化了量子信息处理过程中量子速度极限与功耗之间的权衡。上述工作以“Single-Atom Verification of the Optimal Trade-Off Between Speed and Cost in Shortcuts to Adiabaticity”为题，于5月24日发表在物理学领域顶级期刊《Physical Review Letters》。论文的共同第一作者为博士后章嘉伟、博士生卜锦涛、本科生孟维权和博士后李加冲，通讯作者为苏州大学徐震宇教授、精密测量院周飞副研究员和冯芒研究员。该研究得到国家自然科学联合基金项目、国家自然科学基金-青年项目、中国博士后基金-特别资助和面上资助以及广东省量子科学战略专项的资助。

在量子信息处理过程中，量子态不可避免地受到退相干等噪声的干扰破坏。绝热演化能有效抵抗这些噪声干扰，但由于它要求系统的演化速度非常慢，超出了量子系统有限的相干时间，因而在实际应用中难以实现。量子绝热捷径技术是实验上经常使用的一种手段，它通过增加辅助驱动场的方式，实现与绝热演化相同的效果，且能够加快演化的速度，有利于在退相干时间内尽快完成相应的量子处理过程。但俗话说 “天下没有免费的午餐”，快速的演化一定会消耗更多的能量。准确理解这种速度限制有助于实事求是地推动量子信息技术的应用。

量子力学中的海森堡不确定原理给出了能量变化与时间之间的权衡关系，由此限制了量子态演化的最大速度，也给出了辅助驱动场的功耗与量子态演化速度极限之间存在的一种权衡。但研究人员发现以前提出的几种权衡关系并不能准确反映出量子系统真实的演化情况。主要存在的问题有：一、真实的演化速度无法达到理论上求得的量子速度极限。通常使用Cauchy-Schwarz不等式所得到的量子速度极限远远大于真实的演化速度，不能准确反映出量子系统的情况；二、量子速度极限无法真实反映量子态本身的演化趋势，有时甚至是完全相反的描述。