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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技術研究院、廣州工業智能研究院、蘇州大學等單位合作，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日在線發表在物理學領域頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
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衡關系，由此限制了量子態演化的最大速度。準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，是通過增加輔助驅動場的方式實現與傳統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盡快完成相應的量子過程。由于受制于量子速度極限，量子絕熱捷徑技術到底能將量子態的演化速度提升多少是一個受到廣泛關注的問題。基于海森堡不確定原理，輔助驅動場的功耗與量子態演化速度極限之間存在著一種權衡，這種權衡決定了如何以最小化能量成本實現演化速度的極限。
研究人員發現，以往得到的權衡關系并不能準確反映出量子系統真實的演化速度。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，不能準確反映出量子系統的情況；二、量子速度極限無法真實反映量子態本身的演化趨勢，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參數具有連續性，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。研究人員通過緊量子速度極限的嚴格證明，發現最優量子速度極限可以用以往很少關注的s=-∞相空間來描述，由此提出了一個輔助驅動場的功耗與量子態演化速度極限之間新的權衡關系表達式。
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做了驗證。離子阱系統是世界上公認的在相干時間，量子態制備、量子態操作和測量等關鍵參數全面超過量子容錯計算閾值的系統，是目前最有希望展現量子技術應用優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執行了著名的朗道-齊納模型（Landau-Zener model）。首先是借助單個超冷鈣離子的三能級結構，利用機器學習等輔助手段精確制備了不同的初態。然后通過激光的精準操控，測量到體系的真實量子速度，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地反映量子態的演化速度和趨勢，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，實際的量子速度-功耗權衡關系與理論上的量子速度-功耗權衡關系之間的對比。其中藍色數據點為實驗測量值，藍色線條為對實驗值的擬合，誤差棒為50,000次測量的標準差；紅色線條為本項目得到的理論結果；紫色線條為原來文獻中的理論結果
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更為準確的解析不等式，并在實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的基本原理，也能加深對量子技術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