中國科大實現(xiàn)多體量子速度極限

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】我校郭光燦院士團隊在量子系統(tǒng)的演化速度極限研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、劉曌地等人通過高精度地控制量子系統(tǒng)演化時間，直接測量了量子系統(tǒng)演化速度，實現(xiàn)了基于可觀測量的多體量子速度極限。該成果10月31日發(fā)表在國際知名期刊《科學(xué)·進展》上。
 

　　從能量-時間不確定關(guān)系發(fā)展而來的量子速度極限從根本上決定了量子系統(tǒng)演化的最大速度，對于實現(xiàn)量子態(tài)的快速變換從而實現(xiàn)量子任務(wù)具有重要意義。然而，之前的研究工作主要聚焦在單體量子系統(tǒng)的速度極限。實驗上如何探索多體量子系統(tǒng)的速度極限，以及噪聲會如何影響多體量子系統(tǒng)演化速度，依然是亟待解決的問題。
 

　　為了更好的控制量子系統(tǒng)的演化，研究團隊前期已進行一系列的研究。首先發(fā)展了一套對光子偏振和頻率進行完備調(diào)控的方法，實現(xiàn)了完全可控的相位退相干量子模擬器[Nat.Commun. 9, 3453 (2018)]。接著，為了量子隱形傳態(tài)任務(wù)中更好的克服噪聲，開發(fā)了基于非局域記憶效應(yīng)的方法[Phys. Rev. A 102, 062208 (2020)]，和只需對單量子系統(tǒng)進行相位調(diào)制的多體混合糾纏方法[Science Advances 10, eadj3435 (2024)]。基于以上成果，研究團隊在本工作中設(shè)計并實現(xiàn)了基于可觀測量的多體量子速度極限實驗。
 

　　研究團隊首先發(fā)展了適用于噪聲環(huán)境的多體量子系統(tǒng)演化速度極限的理論，證實了多體最大糾纏態(tài)，多體直積態(tài)和單體態(tài)的量子速度極限比為N:N:1，其中N為粒子數(shù)(圖1)。實驗中通過高精度控制演化時間直接測量了兩體量子系統(tǒng)的演化速度，證實了相比兩體直積態(tài)和單體量子態(tài)，兩體最大糾纏態(tài)有著最快的演化速度(圖2)。接著，實驗證實了不同的最大糾纏態(tài)也會導(dǎo)致不同的演化速度極限，也就是為了達到最佳演化速度，需要根據(jù)任務(wù)構(gòu)建最優(yōu)的最大糾纏態(tài)。最后，在馬爾可夫噪聲環(huán)境中實現(xiàn)了非幺正量子系統(tǒng)演化，證實了即使在噪聲環(huán)境中，量子系統(tǒng)演化速度極限不僅有最大限制，還有最小限制。
 

　　該工作將有助于表征復(fù)雜量子系統(tǒng)動力學(xué)瞬態(tài)特性，并對控制大規(guī)模量子系統(tǒng)的演化速度有重要意義。審稿人不僅對該工作本身給予很高評價，還對未來可能的發(fā)展給出了指引：“As an outlook, it would be highly interesting to follow up on this experimental research line to analyze non-Markovian and non-Hermitian quantum evolutions and the closely related relation between the stochastic operator variance and OTOC(展望未來，繼續(xù)沿著這條實驗研究路線分析非馬爾可夫和非厄米量子演化，以及隨機算子方差和非時序關(guān)聯(lián)子之間的密切關(guān)系將非常有趣)”。
 

圖1 多體直積態(tài)和多體糾纏態(tài)的加速量子演化示意圖
 

圖2 高精度控制量子演化的兩體系統(tǒng)實驗裝置圖
 

　　量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點實驗室博士研究生苗瑞恒和特任副研究員劉曌地為該工作的共同第一作者。該研究工作得到了合肥國家實驗室、國家自然科學(xué)基金會和安徽省自然科學(xué)基金的資助。