我國(guó)科學(xué)家證實(shí)量子體系存在操控速度的極限

　　近日，我國(guó)科研人員利用量子模擬技術(shù)在單原子層面上證實(shí)真實(shí)的量子體系存在操控速度的極限，有助于揭示熱力學(xué)特性在量子信息處理中的作用。

　　中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院的馮芒研究團(tuán)隊(duì)與鄭州大學(xué)、廣州工業(yè)技術(shù)研究院、河南大學(xué)等單位合作，利用超冷鈣離子所構(gòu)造的量子模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了可控的量子非平衡熱力學(xué)過(guò)程，在單原子層面上首次高精度地驗(yàn)證了“遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的量子體系的操控速度受制于體系的熵產(chǎn)生率”這一全新的量子熱力學(xué)特性，研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

　　據(jù)上述研究院，該研究成果不僅涉及量子力學(xué)和熱力學(xué)的基本問(wèn)題，而且對(duì)于優(yōu)化量子測(cè)量、量子態(tài)制備和量子信息讀取，甚至加快量子計(jì)算的速度等量子技術(shù)都有著重要意義。論文成果被編輯部作為亮點(diǎn)文章，同時(shí)推選為“編輯推薦”和“特色物理”文章。美國(guó)物理學(xué)會(huì)(APS)以“變化的速度極限”為題對(duì)該研究進(jìn)行了新聞焦點(diǎn)報(bào)道和評(píng)述。

　　運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)過(guò)程，是目前科技界和工業(yè)界廣泛采用的方法。例如，飛機(jī)和汽車(chē)性能的測(cè)試、核爆炸試驗(yàn)都能在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行。但是，當(dāng)使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)研究微觀(guān)世界的量子過(guò)程時(shí)，原來(lái)強(qiáng)大的計(jì)算能力立馬變得捉襟見(jiàn)肘。

　　目前人類(lèi)最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也只能計(jì)算30多個(gè)量子位所構(gòu)成的系統(tǒng)。著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在上世紀(jì)70年代就意識(shí)到這方面的困難，并想出了“創(chuàng)造一個(gè)人工量子力學(xué)系統(tǒng)來(lái)模擬真實(shí)的量子過(guò)程”的解決方案，簡(jiǎn)稱(chēng)“量子模擬”。一個(gè)量子模擬器其實(shí)就是一臺(tái)簡(jiǎn)約版的量子計(jì)算機(jī)。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，能否進(jìn)一步加快量子體系的操控速度不僅是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，也是基礎(chǔ)科學(xué)的前沿問(wèn)題。實(shí)際的量子操控不可避免地受到環(huán)境影響，環(huán)境噪聲會(huì)影響量子操控的保真度。但另一方面，這種影響在量子操控、量子初態(tài)制備等方面能起到積極的作用。因此，快速操控真實(shí)體系的量子態(tài)除了需要量子技術(shù)的提升，也要考慮其它非量子的因素。

　　2020年的一項(xiàng)理論研究將以上問(wèn)題抽象為一個(gè)非平衡熱力學(xué)問(wèn)題，并得到一個(gè)普適的不等式關(guān)系（稱(chēng)為“耗散-時(shí)間不確定性關(guān)系”），表明任何非平衡熱力學(xué)過(guò)程中，物理體系的演化速度都會(huì)受限于熵的流動(dòng)速率。由于這一限制條件也適用于量子系統(tǒng)，因此，這不僅是對(duì)量子力學(xué)基本理論的深入認(rèn)識(shí)，也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過(guò)程相關(guān)聯(lián)。

　　此次，研究人員運(yùn)用離子阱量子操控技術(shù)檢驗(yàn)了以上理論。離子阱系統(tǒng)以孤立干凈、精準(zhǔn)可控而著稱(chēng)，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術(shù)優(yōu)越性的候選者之一。

　　馮芒研究團(tuán)隊(duì)一直在發(fā)展基于鈣離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，旨在發(fā)展量子精密測(cè)量應(yīng)用技術(shù)，并利用量子模擬探索量子世界未知領(lǐng)域。研究人員基于由單個(gè)超冷鈣離子構(gòu)造的量子模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精巧地設(shè)計(jì)了四個(gè)獨(dú)立可控的耗散通道，每個(gè)通道可獨(dú)立開(kāi)關(guān)，由此精準(zhǔn)操控?zé)崃W(xué)過(guò)程的速度。

　　同時(shí)，研究人員還自主發(fā)展了一套數(shù)據(jù)后處理的理論方法，使整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的細(xì)節(jié)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值處理而精確呈現(xiàn)出來(lái)，由此完全滿(mǎn)足了模擬一個(gè)可控的量子非平衡熱力學(xué)過(guò)程的物理?xiàng)l件。經(jīng)過(guò)多次不同參數(shù)條件的實(shí)驗(yàn)，反復(fù)比對(duì)測(cè)量結(jié)果，研究人員最終確認(rèn)了“耗散-時(shí)間不確定性關(guān)系”在量子體系中完全成立。

　　該成果有助于理解真實(shí)的量子操控的速度限制，進(jìn)一步優(yōu)化量子測(cè)量、操控和量子信息讀取等涉及非平衡熱力學(xué)過(guò)程的量子技術(shù)，同時(shí)也再次證明了熱力學(xué)在真實(shí)的量子過(guò)程中所具有的作用。該項(xiàng)工作展示了僅單個(gè)離子構(gòu)成的量子模擬器，就能精確可信地模擬難以真實(shí)觀(guān)察到的量子非平衡熱力學(xué)過(guò)程，這再一次表明量子技術(shù)的巨大潛力，以及這項(xiàng)顛覆性技術(shù)所具有的的未來(lái)前景。

　　馮芒研究團(tuán)隊(duì)曾在2018年利用該量子模擬平臺(tái)驗(yàn)證了蘭道爾原理在量子領(lǐng)域的適用性，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明量子永動(dòng)機(jī)不可能存在，以及量子技術(shù)有助于信息處理，但在節(jié)能方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。此次研究也與量子技術(shù)的能耗相關(guān)，證明量子信息讀取的快慢將取決于體系的熵的變化，為提升精密測(cè)量技術(shù)和量子操控效率所需的能耗提供了原理性解釋。（記者 王蕙蓉）

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

　　【版權(quán)及免責(zé)聲明】凡本網(wǎng)所屬版權(quán)作品，轉(zhuǎn)載時(shí)須獲得授權(quán)并注明來(lái)源“中國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)”，違者本網(wǎng)將保留追究其相關(guān)法律責(zé)任的權(quán)力。凡轉(zhuǎn)載文章及企業(yè)宣傳資訊，僅代表作者個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，不代表本網(wǎng)觀(guān)點(diǎn)和立場(chǎng)。版權(quán)事宜請(qǐng)聯(lián)系：010-65363056。

延伸閱讀