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365体育手机版app下载量子中心利用量子模拟技术取得重要科研进展
发表日期:2022/2/7 12:10:42

近日,365体育手机版app下载量子精密测量研究中心(以下简称:量子中心)与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(以下简称: 精测院)、郑州大学等单位合作,利用超冷40Ca+离子所构造的量子模拟实验平台,设计并实验展现了可控的量子非平衡热力学过程,在单原子层面上首次高精度地验证了“远离平衡状态的量子体系的操控速度受限于体系的熵产生率“ 这一全新的量子热力学特性,研究成果发表在物理专业的顶尖期刊《物理评论快报》上。由于该成果不仅涉及量子力学和热力学的基本问题,而且对于优化量子测量、量子态制备和量子信息读取,甚至加快量子计算的速度等量子技术都有着重要意义,被编辑部作为亮点论文同时推选为“编辑推荐“ (Editors’ Suggestion)和“特色物理”(Featured in Physics)。美国物理学会(APS)也在其网站Physics上以 “变化的速度极限”为题作为新闻焦点(Focus)报道和评述了此项工作。

运用超级计算机来模拟现实世界的真实过程是目前科技界和工业界广泛采用的方法。例如,飞机和汽车性能的测试、核爆炸试验都可以在超级计算机上模拟进行。但是,当使用这些超级计算机来研究微观世界的量子过程时,原来强大的计算能力马上就变得捉襟见肘。目前人类最强大的计算机也只能计算30多个量子比特所构成的系统。著名物理学家理查德·费曼在上世纪70 年代就意识到这方面的困难,并想出了“创造一个人工量子力学系统来模拟真实的量子过程”的解决方案,称作量子模拟。一个量子模拟器其实就是一台简约版的量子计算机。

长期以来,能否进一步加快量子体系的操控速度不仅是一项技术挑战,而且也是一个基础科学的前沿问题。实际的量子操控不可避免地受到环境的影响。由此带来的噪声会影响量子操控的保真度,但另一方面,这种影响在量子操控、量子初态制备等方面能起到积极的作用。因此,快速操控真实体系的量子态除了需要量子技术的提升,也要考虑其它非量子的因素。2020年的一项理论研究将以上问题抽象为一个非平衡热力学问题,得到了一个普适的不等式关系(称为“耗散-时间不确定性关系”), 表明任何非平衡热力学过程中物理体系的演化速度都会受限于熵的流动速率。由于这一限制条件也适用于量子系统,因此这不仅是对量子力学基本理论的深入认识,而且也是第一次将量子速度与热力学过程相关联。

量子中心的研究人员运用离子阱量子操控技术检验了以上理论结论。离子阱系统以孤立干净、精准可控而著称,是目前最有希望展现量子技术优越性的候选者之一。量子中心研究团队一直在发展基于40Ca+离子的精密操控关键技术,旨在发展量子精密测量应用技术和利用量子模拟来探索量子世界的未知领域。本项工作中,研究人员基于由单个超冷40Ca+离子所构造的量子模拟实验平台,精巧地设计了四个独立可控的耗散通道,每个通道可以独立地开关,热力学过程的速度可以精准地操控;同时,研究人员还自主发展了一套数据后处理的理论方法,使整个热力学过程的细节可以通过实验测量和数值处理而精确地呈现出来,由此完全满足了模拟一个可控的量子非平衡热力学过程的物理条件。经过针对不同参数条件的多次实验,反复对比测量的结果,研究人员最终确认了耗散-时间不确定性关系”在量子体系中完全成立。

本项工作有助于理解真实的量子操控的速度限制,进一步优化量子测量、操控和量子信息读取等涉及非平衡热力学过程的量子技术,同时也再次证明了热力学在真实的量子过程中所具有的意想不到的作用。尤为重要的是,该项工作展示了单个离子构成的量子模拟器就能精确可信地模拟难以真实观察到的量子非平衡热力学过程,这再一次表明量子技术的巨大潜力和作为一项颠覆性技术的未来前景。

量子中心实验室由365体育手机版app下载与精测院联合共建。该联合团队在2018年曾利用离子阱量子模拟平台验证了兰道尔原理(信息学界的重要原理之一)在量子领域的适用性,用实验数据表明量子永动机不可能存在;而且也表明,虽然量子技术有助于信息处理,但在节能方面并未显示出优势。本次的研究成果再一次与量子技术的能耗相关,证明了量子信息的操控和读取的快慢将取决于能耗的大小,这为提升精密测量技术和量子操控效率所需的能耗提供了原理性的解释。

该工作的共同第一作者章嘉伟目前是量子中心的博士后研究人员,这项工作实验部分是他在精测院获得博士学位之前完成,论文的修改和校对在量子中心完成。该项研究得到广东省重点领域研发计划重大专项项目“精密探测金属表面噪声和环境磁场的囚禁离子探针的实验探究”、科技部国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。


1 量子中心联合实验室的离子阱量子模拟实验平台


2 基于40Ca+离子的量子模拟器上展现的四种不同的热力学耗散通道。左图和右图各为两种通道,每个通道可以独立地开关,热力学过程的速度可以精准地操控,整个热力学过程的细节可以通过实验测量和数值处理而精确地呈现出来


3 40Ca+离子的量子模拟器的实验结果。虚线为不确定性关系的下限,所有测量的四个通道的数据点(以四种颜色标记)都在虚线之上,表明耗散-时间不确定性关系成立



论文链接Experimental Verification of Dissipation-Time Uncertainty Relation

美国物理学会的新闻焦点链接:Speed Limit on Change




附:美国物理学会的新闻焦点文章的中文翻译

 

变化的速度极限


利用单个钙原子完成的实验证明,变化过程有一个由它的散热速率决定的速度极限。

Philip Ball

研究人员已经证实了一个非平衡过程,例如有机体的生长,存在着有关过程变化的速率与过程产生熵的速率之间的普适关系。 如果由于一些因素的影响导致的产生变慢了 降低散热的速度,那么这个非平衡过程将会持续更长时间。 这个研究团队用激光操纵单的钙离子 创造一个非平衡系统模型,由此表明吸收和散的能限制量子计算的最大可能速度,这可能是量子物理学和热力学之间的一个更深层次的关系


1 广泛存在的速度极限。一个非平衡过程,例如由能量和物质输入所形成的龙卷风,是消耗能量并产生熵。根据一种新的理论,这种结构的寿命取决于它产生熵的速率,该理论现已得到实验验证。

 

生命有机体、气候系统和人类社会都在不断变化,但永远不会达到平衡的状态,因为变化都是由能源和物质的输入所驱动的。热力学第二定律指出,这种变化肯定增加宇宙的总熵。

熵的产生意味着,一些驱动非平衡过程的能量以随机分子运动的形式转化为热,而这些运动不能被用来做有用的功。这种转化为“无用”的热量的现象被称为耗散,这也是永动机不可能存在的原因,因为在运行一个设备时,我们无法避免地要浪费一些能量。因此,要使机器和设备有效地运转下去,在一定程度上就是要尽量减少它们的能耗。

2020年,卢森堡大学的两位研究人员Gianmaria Falasco 和Massimiliano Esposito运用统计力学的数学框架表明,非平衡过程所花费的时间长度 (T) 与该过程所涉及的时间平均耗散率或熵生产率()之间存在着联系。具体地说, * T永远不能小于玻尔兹曼常数(kB),后者是一个自然的基本常数。

因此,要加速一个过程,它的耗散速率必须增加。这种关系让人想起海森堡的不确定性原理,在这个原理中,物体的位置和动量不确定性的乘积永远不会小于普朗克常数h除以4π。通过类比,Falasco和Esposito称他们的方程为“耗散-时间不确定性关系”。Falasco指出,在平衡状态下,将发生完全可逆的过程,此时他们的公式将约化为众所周知的情形:因为耗散为零,所以过程花费的时间将是无限长。

2 离子被夹在中间。冯和他的同事使用离子阱来研究钙离子激发态的寿命与离子通过冷热交换能量以产生熵的速率之间的关系

 

就像所有的热力学定律一样,这个结果被认为同样适用于经典和量子系统。中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的冯芒和他的同事们在一个极小的量子系统中,即单个的钙离子被囚禁于一个电磁势阱中,测试了这个不确定性关系。他们选择了量子系统来做测试,冯芒说,因为“大自然在根本上是量子力学的,因此量子过程是更基本的。”

该团队的想法是用光来激发离子,然后测量耗散率的变化如何影响离子从一种电子状态转换到另一种电子状态所需的时间。量子态之间的这种跳跃是随机发生的:人们只能预测在任何时刻发生跳跃的几率,但它发生的精确时间不可预测。尽管如此,一个被称为量子跃迁理论的标准量子理论阐明,跃迁是由系统与其环境之间的能量交换引起的耗散所控制的。离子的能量激发态只能通过释放过剩的能量并在周围引起耗散而衰变到低能态。

根据耗散-时间不确定性关系,如果在一定条件下,随着激发态耗散的速率降低,激发态的衰减需要更长的时间。但是,测量一个量子系统的耗散是非常困难的,因为通常情况下,你无法跟踪系统和环境之间的所有相互作用——这就像试图跟踪单个分子在气体中的所有碰撞一样。冯芒和他的同事们创造了一种“人工环境”,使这种密切监测成为可能。否则他们所捕获的离子是被小心地与周围环境隔离着,一直处于超冷的状态。

除了参与量子跃迁的两个电子态外,研究人员还用激光激发了离子的其它几个电子态。那么激发态有一定的概率,通过沿着这些可选的方向移动而获得或失去能量。通过小心地调整激光强度,冯芒和他的同事们可以控制耗散导致的跃迁概率,比如一些耗散态表现得就像一个“冷库”,从而接受来自系统的能量,而另一些则像一个“热库”,释放能量给系统。二能级系统夹在冷库和热库之间,有能量经它流过,这就完全模拟了Falasco和Esposito 考虑的非平衡系统。

“我们对有效的两能级系统的控制,使得我们能够监控在量子演化过程中发生的几乎所有事情,以及它的‘环境’(冷库和热库),”冯芒说。这种设计是一种体现最小耗散过程的“量子模拟器”。

研究人员能够随着时间的推移跟踪离子的状态,并测量进行跃迁所花费的时间T和所需要的平均能耗。他们的测量显示,* T可能大于kB的10倍,但从不小于kB。

英国牛津大学的量子物理学家Vlatko Vedral对该理论被实验证实并不感到惊讶,因为他相信该理论可能是之前公认的量子系统的“时间-能量不确定性关系”的变体。但他说,这个实验令人印象深刻,因为跟踪这样一个量子过程中的所有能量损失是一项挑战。

冯芒希望利用这项研究成果实现通过控制耗散来加速量子计算。而Falasco说,这项研究成果也适用于经典电子设备。但他说,主要的应用可能是在生物学上,类似的实验可以帮助研究人员了解分子马达和其它生物分子“机器”的运行速度的限制。





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