复杂量子世界的速度极限

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。

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：

封面素材：SnappyGoat