开放系统中量子比特操控的速度极限被实现

      量子速度极限 (quantum speed limit，QSL) 指的是量子态从初态演化到目标态的最大速度极限。封闭系统的量子速度极限通常由Mandelstam–Tamm和Margolus–Levitin界所描述。但是量子系统不可避免地与其所处的环境发生相互作用，从而产生非幺正动力学演化。近年来，大量理论研究表明特定条件下，开放系统中量子比特的演化速度可以大大加快, 但是一直没有得到实验的验证。

      开云手机登录中心,开云(中国)量子信息与测控科研团队罗乐教授实验室通过在量子比特上引入自旋依赖的可控耗散来调控量子比特与环境的交互作用，研究了具有宇称时间和反宇称时间对称哈密顿量的量子速度极限（QSL）。通过调控耗散强度，观察到了量子态的演化时间随着耗散的增加而减少，达到了QSL的理论预测（图1）。实验小组从引力改变时空曲率的概念中得到启发，发展了一套新颖的理论来描述耗散作用下希尔伯特空间曲率的改变（图2），从而直观形象地解释了为什么耗散效应能够加快量子系统演化。

      该研究为大规模量子计算开辟了新的思路。传统的大规模量子计算追求“更安静”的封闭体系以避免量子退相干和耗散效应。与之相反，在开放量子系统中进行量子计算，虽然不可避免地会遇到上述效应，但是通过与环境耦合带来的量子演化速度加快，有可能实现“更嘈杂”但是“更迅速”的计算过程，从而在有限时间内实现量子计算的大规模扩展。

      该研究成果以“Realizing quantum speed limit in open system with a PT-symmetric trapped-ion qubit” 为题于2024年1月23日发表在英国物理协会旗舰期刊《New Journal of Physics》上。中山大学为该成果的第一署名单位，中山大学开云手机登录中心,开云(中国)陆鹏飞博士后和2023级博士研究生刘腾为共同第一作者，罗乐教授为通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划项目、广东省自然科学基金等项目的支持。

 

图1：离子阱量子比特的非厄米态转移。(a).从1态到0态，(b).从0态到1态，以及 (c).从1 到叠加态的演化时间与 γ/J 的依赖关系。(d). 运用量子态层析测量 (c) 中五个不同 γ/J 的最终态的保真度，其结果都能达到98%以上。

图2：厄米布洛赫球到宇称时间对称非厄米布洛赫球的映射。红色和蓝色小球分别表示1态 和0态从厄米布洛赫球到宇称时间对称非厄米布洛赫球1CPT和0CPT态的映射。耗散强度的取值分别为(a) 0J，(b) 0.48J，(c) 0.8J，(d) 0.96J。在(b)中，两条橙色和绿色的路径分别表示在非厄米情形下，从1态到0态和从0态到1态的演化路径。

 

论文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/ad1a28

罗乐教授简介：

https://dpcms4.sysu.edu.cn/sysuspa-prod/zh-hans/teacher/112