物理学家表明速度极限也适用于量子世界

波恩大学的研究确定了复杂量子操作的最短时间。

即使在具有自己特殊规则的最小粒子世界中，事物也无法无限快速地进行。波恩大学的物理学家现在已经证明了复杂量子操作的速度极限是多少。该研究还涉及麻省理工学院，汉堡大学，科隆大学和帕多瓦大学以及于利希研究中心的科学家。这些结果对实现量子计算机非常重要。它们发表在著名的《物理评论X》杂志上，并被《美国物理学会物理学》杂志收录。

假设您观察到一个服务员（锁定已经是历史）了，他必须在除夕夜仅在午夜前几分钟提供一整盘香槟杯。他以最快的速度从一个客人冲到另一个客人。由于他的技术，在多年的工作中不断完善，他仍然设法不洒任何一滴珍贵的液体。

一个小技巧可以帮助他做到这一点：当服务员加快步伐时，他稍微倾斜了托盘，以免香槟从杯中溢出。在桌子的一半处，他向相反的方向倾斜并放慢了速度。只有在完全停止后，他才能再次将其保持直立。

原子在某些方面类似于香槟。它们可以描述为物质波，其行为不像台球，而更像液体。因此，任何想要尽快将原子从一个地方运输到另一个地方的人，都必须像新年前夜的服务员一样熟练。“即使在那时，这种传输也不能超过速度极限，”波恩大学应用物理研究所的负责人安德里亚·阿尔贝蒂博士解释说。

铯原子作为香槟的替代品

在他们的研究中，研究人员通过实验确切地研究了此限制的位置。他们使用铯原子作为香槟的替代品，两个激光束完美重叠，但彼此相对，就像一个托盘。这种叠加被物理学家称为干扰，产生了驻波光：一系列最初不动的山峰和山谷。“我们将原子加载到其中一个山谷中，然后使驻波运动-这使山谷本身的位置发生了位移，” Alberti说。“可以说，我们的目标是使原子在尽可能短的时间内到达目标位置，而不会溢出到山谷之外。”

波恩大学应用物理研究所的第一作者Manolo Rivera Lam（左）和首席研究员Andrea Alberti博士（右）。

缩影中存在速度极限这一事实已经在六十多年前被两名苏联物理学家列昂尼德·曼德尔斯坦（Leonid Mandelstam）和伊戈尔·塔姆（Igor Tamm）从理论上证明了。他们表明，量子过程的最大速度取决于能量的不确定性，即，被操纵的粒子相对于其可能的能量状态有多“自由”：它的能量自由度越大，速度越快。例如，在原子传输的情况下，铯原子被俘获的谷越深，谷中量子态的能量扩散越多，最终原子可以被更快地传输。在服务员的示例中可以看到类似的内容：如果他只把杯子装满一半（使客人感到恼火），那么他在加速和减速时香槟溢出的风险就较小。但是，不能任意地增加粒子的能量自由度。艾伯蒂强调说：“我们无法将山谷无限深，这会浪费我们太多的精力。”

斯科蒂，让我振作起来！

曼德尔斯坦（Mandelstam）和塔姆（Tamm）的速度限制是一个基本限制。但是，只有在某些情况下（即在只有两个量子态的系统中）才能达到目标。物理学家解释说：“例如，在我们的情况下，这是在起点和终点非常接近的情况下发生的。”“然后原子在两个位置的物质波重叠，原子可以一口气直接传输到其目的地，也就是说，它们之间没有任何停顿，几乎就像《星际迷航》《星际飞船企业》中的隐形传送一样。”

在波恩大学应用物理研究所的前厅（从左到右）：Thorsten Groh，Manolo Rivera Lam，Dieter Meschede博士和Andrea Alberti博士（出于电晕安全原因，均在一定距离内）。

但是，当距离增加到数十个物质波宽度时，情况就不同了，就像在波恩实验中那样。对于这些距离，不可能进行直接的隐形传送。相反，粒子必须经过几种中间状态才能到达其最终目的地：两级系统成为多级系统。研究表明，与两个苏联物理学家所预测的相比，对这些过程的速度限制较低：它不仅取决于能量的不确定性，还取决于中间状态的数量。这样，这项工作提高了对复杂量子过程及其约束的理论理解。

物理学家的发现不仅对量子计算很重要。量子计算机可能进行的计算主要基于多级系统的操纵。但是，量子态非常脆弱。它们仅持续很短的时间，物理学家称之为相干时间。因此，重要的是在这段时间内尽可能多地打包计算操作。“我们的研究揭示了相干时间内我们可以执行的最大操作次数，” Alberti解释说。“这使得可以最佳利用它。”

参考：Manolo R. Lam，Natalie Peter，Thorsten Groh，Wolfgang Alt，Carsten Robens，Dieter Meschede，Antonio Negretti，Simone Montangero，Tommaso Calarco和Andrea Alberti撰写的“原子远距离状态之间的量子腕轮演示”，2021年2月19日，实物评论X.DOI：
10.1103 / PhysRevX.11.011035

该研究由德国研究基金会（DFG）作为SFB / TR 185 OSCAR协作研究中心的一部分资助。莱因哈德·弗兰克基金会（Reinhard Frank Foundation）与德国技术协会（German Technion Society）合作，以及德国学术交流服务（German Academic Exchange Service）也提供了资金。