我國科學家證實真實量子體系存在操控速度極限

2022年3月15日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員馮芒團隊與鄭州大學、廣州工業技術研究院、河南大學等單位合作，利用超冷40Ca+離子所構造的量子模擬試驗平臺，設計并試驗展現了可控的量子非平衡熱力學過程，在單原子層面上首次高精度地驗證了“遠離平衡狀態的量子體系的操控速度受制于體系的熵產生率”這一全新的量子熱力學特性，研究成果發表在《物理評論快報》上。該成果不僅涉及量子力學和熱力學的基本問題，而且對優化量子測量、量子態制備和量子信息讀取，加快量子計算的速度等量子技術都有重要意義。

運用超級計算機來模擬現實世界的真實過程是目前科技界和工業界廣泛采用的方法。例如，飛機和汽車性能的測試、核爆炸試驗都可以在超級計算機上模擬進行。但是，當使用這些超級計算機來研究微觀世界的量子過程時，原來強大的計算能力就會變得捉襟見肘。目前，人類最強大的計算機也只能計算30多個量子比特所構成的系統。著名物理學家理查德·費曼在20世紀70年代就意識到這方面的困難，并想出了“創造一個人工量子力學系統來模擬真實的量子過程”的解決方案，稱作量子模擬。一個量子模擬器其實就是一臺簡約版的量子計算機。

長期以來，能否進一步加快量子體系的操控速度不僅是一項技術挑戰，而且也是一個基礎科學的前沿問題。實際的量子操控不可避免地受到環境的影響。由此帶來的噪聲會影響量子操控的保真度，但另一方面，這種影響在量子操控、量子初態制備等方面能起到積極的作用。因此，快速操控真實體系的量子態除了需要量子技術的提升，也要考慮其他非量子的因素。2020年的一項理論研究將以上問題抽象為一個非平衡熱力學問題，得到了一個普適的不等式關系（“耗散-時間不確定性關系”）， 表明任何非平衡熱力學過程中物理體系的演化速度都會受限于熵的流動速率。由于這一限制條件也適用于量子系統，因此這不僅是對量子力學基本理論的深入認識，而且也是第一次將量子速度與熱力學過程相關聯。

在該工作中，研究人員運用離子阱量子操控技術檢驗了以上理論結論。離子阱系統以孤立干凈、精準可控而著稱，是目前最有希望展現量子技術優越性的候選者之一。馮芒研究團隊一直在發展基于40Ca+離子的精密操控關鍵技術，旨在發展量子精密測量應用技術和利用量子模擬探索量子世界的未知領域。研究人員基于由單個超冷40Ca+離子構造的量子模擬試驗平臺，精巧地設計了四個獨立可控的耗散通道，每個通道可以獨立地開關，熱力學過程的速度可以精準地操控。同時，研究人員還自主發展了一套數據后處理的理論方法，使整個熱力學過程的細節可以通過試驗測量和數值處理而精確地呈現出來，完全滿足了模擬一個可控的量子非平衡熱力學過程的物理條件。經過針對不同參數條件的多次試驗，反復對比測量的結果，研究人員最終確認了“耗散-時間不確定性關系”在量子體系中完全成立。

該研究工作有助于理解真實的量子操控的速度限制，進一步優化量子測量、操控和量子信息讀取等涉及非平衡熱力學過程的量子技術，同時再次證明了熱力學在真實的量子過程中所具有的作用。尤為重要的是，該項工作展示了單個離子構成的量子模擬器能精確可信地模擬難以真實觀察到的量子非平衡熱力學過程，表明了量子技術的潛力和未來前景。

馮芒研究團隊在2018年曾利用該量子模擬平臺驗證了蘭道爾原理（信息學界的重要原理之一）在量子領域的適用性，用試驗數據表明量子永動機不可能存在，同時表明雖然量子技術有助于信息處理，但在節能方面并無優勢。此次工作與量子技術的能耗相關，證明了量子信息讀取的快慢取決于體系的熵的變化，這為提升精密測量技術和量子操控效率所需的能耗提供了原理性解釋。

該研究得到科學技術部國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目和廣東省重點領域研發計劃重大專項項目的資助。

（來源：中國科學院）