【產通社，6月17日訊】中國科學院（Chinese Academy of Sciences）官網消息，精密測量科學與技術創新研究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、蘇州大學等合作，探討了量子速度極限對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給出了量子速度上限的最優表達式，并在實驗上驗證了真實的量子演化速度可以無限接近但不會超越該上限。

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。準確理解這一速度限制有助于推動量子信息技術的應用。量子絕熱捷徑方法是量子計算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，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，量子絕熱捷徑技術能夠將量子態的演化速度提升多少是熱點問題。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一種權衡，而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。

研究發現，以往得到的權衡關系無法準確反映出量子系統真實的演化速度。主要存在的問題有：一是真實的演化速度無法達到理論上求得的量子速度極限。通常情況下，使用Cauchy-Schwarz不等式得到的量子速度極限大于真實的演化速度，不能準確反映出量子系統的情況；二是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。在此次工作的理論研究部分，科研人員利用s參數化相空間方法對量子速度極限進行二次縮放，解決了上述問題。s參數化相空間是一系列相空間的集合，如常見的Wigner相空間即s=0情形。研究發現，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更優。研究通過對量子速度極限的嚴格證明，發現最優量子速度極限可以利用以往較少關注的s=-∞相空間來描述，提出了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。

該研究運用離子阱量子操控技術進行驗證�？蒲腥藛T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朗道-齊納模型。該研究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制備了不同的初態。進一步，研究通過激光的精準操控，測量出體系的真實量子速度，并與理論結論進行對比。結果顯示，與以前的理論結果相比，該工作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，并可以更準確地代表量子速度的極限即量子速度的最優極限。

上述成果為量子信息處理中速度與功耗之間的權衡建立了更準確的解析不等式，并在實驗上做了精準的檢驗。這有助于科學家更深入地探討量子力學的基本原理，并可以加深科學家對量子技術中內稟存在的根本性限制的認知。

相關研究成果以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。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金以及廣州市的支持。

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://www.cas.cn/syky，以及https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.213602。（張嘉汐，產通發布）    （完）