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量子|超越复杂量子世界的速度极限，会发生什么？

量子原子量子态香槟托盘

量子|超越复杂量子世界的速度极限，会发生什么？
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除夕夜 ， 你在餐厅见到一位忙碌的服务员 。 他必须在0点前的几分钟 ， 把满满一托盘香槟酒杯端给餐厅里的每一桌客人 。 他以最快的速度从一桌客人跑向另一桌客人 ， 由于技术“高超” ， 竟然没有洒出一滴酒 。
事实上 ， 这位经验丰富的服务员之所以能做到这一点 ， 是因为他使用了一些小技巧 ， 比如他不是匀速跑动的 ， 而是进行了一系列加速和减速来达到整体的最大速度 。
或许你没想到的是 ， 原子在某些方面其实和香槟是类似的 。 原子可以被描述为物质波 ， 它的行为其实不像台球 ， 反而更类似液体 。 因此 ， 如果想尽快把原子从一个地方运送到另一个地方 ， 而不丢失必要的信息 ， 必须像那位忙碌的服务员一样娴熟地掌握技巧 。 即便如此 ， 这种传送也有一个无法超过的速度极限 。
近日 ， 一组国际科研团队尝试变成了“端香槟的服务员” ， 不同的是 ， 他们是在保证不干扰原子的量子态的情况下 ， 在尽可能短的时间内移动了一个原子 。 研究通过实验精确地探索了复杂量子操作的速度极限 。
60多年前 ， 苏联物理学家Leonid Mandelstam和Igor Tamm从理论上证明 ， 微观世界中存在速度的极限 。 他们发现 ， 量子过程的最大速度取决于能量不确定性 ， 也就是受操纵的粒子相对于其可能的能量状态的“自由度” 。 粒子所拥有的能量自由度越高， 量子过程的速度就可以越快 。 从服务员的例子中也可以看到类似的情况：如果服务生只把香槟装得半满 ， （虽然会惹怒顾客 ， ）在他加速和减速的时候 ， 香槟洒出的风险其实更小 。
Mandelstam和Tamm的速度极限是一个基本限制 。 然而 ， 人们只能在某些特定的情况下才能达到 ， 就是在两级量子系统 ， 比如可以自旋向上或自旋向下的电子 。
但是 ， 一些量子技术则需要多级系统 ， 也就是说 ， 一个系统跨越多个量子态 ， 粒子必须经过几个中间态 ， 才能到达它最终的目的地 。 这些系统同样应该具有速度极限 ， 但在此之前尚未被预测或测量过 。 这也正是新研究期望探索的速度极限 。
量子|超越复杂量子世界的速度极限，会发生什么？
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变身“服务员”的科学家在调整激光“托盘” 。 | 图片来源：Volker Lannert/University of Bonn
在实验中 ， 研究人员通过用一个铯原子替代香槟而变身成为“服务员” 。 他们用两束方向相反且互相叠加的激光束制造了一种光晶格阱 ， 作为“托盘” 。 这种叠加被物理学家称为干涉 ， 它产生了一种光的驻波 ， 也就是一系列最初不会移动的波峰和波谷 。
团队将原子“装”入其中一个波谷中 ， 然后使波开始运动 ， 这就改变了波谷本身的位置 ， 它就像放在传送带上的托盘一样开始移动 。 实验可以改变这个“传送托盘”的速度 ， 并使用测量技术对运动进行亚纳米级的跟踪 ， 目标是让原子在尽可能短的时间内到达目标位置 。
团队采用了恒定速度和变速两种方案 ， 将原子传输到0.5微米的距离 。 他们发现 ， 当移动的平均速度低于约每秒17毫米时 ， 保真度非常好 ， 换句话说 ， 此时的初始状态和最终状态的相似度很高 ， 信息的丢失很少 。 但平均速度越高 ， 保真度会随之显著降低 。
这项研究表明 ， 与两位苏联物理学家的预测相比 ， 这类复杂过程的速度极限更低 。 这一极限不仅取决于能量不确定性 ， 还取决于中间态的数量 。 这一结果极大地提高了对复杂量子过程及其约束的理解 。
物理学家Nora Tischler在接受《物理》杂志采访时表示 ， 这项新发现令人信服地证明 ， 当超越两级系统的情况时 ， 量子动力学的基本性质是如何发生变化的 。
物理学家相信 ， 这一发现对量子计算十分重要 。 量子计算机进行的计算大多是基于对多级系统的操作 。 不过 ， 量子态非常脆弱 ， 它们只会持续很短一小段时间 ， 物理学家称之为相干时间 。 因此 ， 在这段时间内尽可能多地进行计算操作至关重要 。 研究揭示了在相干时间内可以执行的最大操作数 ， 这就使得优化利用成为可能 。
#创作团队：
文字：方狄
图片：Takeko、雯雯子
#参考来源：
https://www.uni-bonn.de/news/049-2021
#图片来源：
【量子|超越复杂量子世界的速度极限，会发生什么？】封面素材：SnappyGoat


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