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量子传输存在速度极限!科学家首次验证一个原子在两点之间最快传输的速度

2021-02-22 17:21 前瞻网   

即使在量子世界里,将信息从一个地方移动到另一个地方也需要时间。来自环境的干扰会降低量子计算机的性能,而尽可能快地进行计算是减少这种影响的一种方法。但是,计算速度过快也会导致信息丢失,因此在这类系统上存在一个“速度限制”。

量子传输存在速度极限!科学家首次验证一个原子在两点之间最快传输的速度

此前,通过最快的路径——量子最速降线(quantum brachistochrone)——将初始量子态转化为目标态,是基于量子力学的许多技术面临的基本挑战。

两能级系统中,量子最速降线的这种方案早已为人所知。然而,这些解决方案不适用于较大的系统,特别是当不能通过局部转换达到目标状态时。一些量子技术(如原子干涉仪),需要一个系统在许多量子态之间移动。这些系统也应该有速度限制,但它们还没有被预测或测量。

在他们的最新成果中,德国波恩大学的安德里亚·阿尔贝蒂(Andrea Alberti)和他的同事们演示了一个原子波包。科学家将两束相向的激光束叠加产生驻波,再将一个铯原子放入波谷,使驻波运动并改变波谷位置,测量了将原子(波包)传输到其15倍宽度以外的最快速度。

研究人员们对传输保真度的测量,揭示了物质波的关联分裂和重组存在一个最小持续时间,由此得出了一个重要的量子速度限制。他们依靠量子态动力学的几何解释来获得对这一极限的物理洞察。

在他们的实验中,该团队使用了一种所谓的光学晶格陷阱,并使用微波场将原子冷却到最低(基态)振动状态。在这种状态下,每个原子就像一个液体,在一个碗里以最小的振幅来回晃动。

阿尔贝蒂和他的同事们用恒速和变速两种方式将原子传输了0.5微米的距离。在每一个案例中,研究人员都测量了保真度。研究人员发现,当旅程中的平均速度低于17毫米/秒时,保真度非常好,但当平均速度较高时,保真度会下降到低得多的值。

研究人员在尽可能短的时间内将一个原子在两个位置之间传输,这一成就对量子技术具有重大意义。这些结果揭示了量子态动力学的基本极限,并有望在量子传感和量子计算中找到相关应用。

上述研究发表在《物理评论X》(PHYSICAL REVIEW X)上,题为“Demonstration of Quantum Brachistochrones between Distant States of an Atom”。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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