【儀表網 研發快訊】我校郭光燦院士團隊在量子系統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演化時間，直接測量了量子系統演化速度，實現了基于可觀測量的多體量子速度極限。該成果10月31日發表在國際知名期刊《科學·進展》上。
 

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

　　為了更好的控制量子系統的演化，研究團隊前期已進行一系列的研究。首先發展了一套對光子偏振和頻率進行完備調控的方法，實現了完全可控的相位退相干量子模擬器[Nat.Commun. 9, 3453 (2018)]。接著，為了量子隱形傳態任務中更好的克服噪聲，開發了基于非局域記憶效應的方法[Phys. Rev. A 102, 062208 (2020)]，和只需對單量子系統進行相位調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計并實現了基于可觀測量的多體量子速度極限實驗。
 

　　研究團隊首先發展了適用于噪聲環境的多體量子系統演化速度極限的理論，證實了多體最大糾纏態，多體直積態和單體態的量子速度極限比為N:N:1，其中N為粒子數(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的演化速度，證實了相比兩體直積態和單體量子態，兩體最大糾纏態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也會導致不同的演化速度極限，也就是為了達到最佳演化速度，需要根據任務構建最優的最大糾纏態。最后，在馬爾可夫噪聲環境中實現了非幺正量子系統演化，證實了即使在噪聲環境中，量子系統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雜量子系統動力學瞬態特性，并對控制大規模量子系統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聯子之間的密切關系將非常有趣)”。
 

圖1 多體直積態和多體糾纏態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實驗裝置圖
 

　　量子網絡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、國家自然科學基金會和安徽省自然科學基金的資助。