我室在单自旋体系上突破量子绝热速度极限
发布人:中科院微观磁共振重点实验室  发布时间:2019-09-02   动态浏览次数:534


近日,我室与理论合作者德国乌尔姆大学王振宇、Martin B. Plenio等合作,利用金刚石里的氮空位缺陷单自旋体系,实验验证了新的绝热判据,并且依据该判据提出跳跃式绝热路径突破了已有的量子绝热速度极限,研究成果以“Breaking the quantum adiabatic speed limit by jumping along geodesics”为题在线发表于《科学进展》[Science Advances, 5.6 (2019): eaax3800]杂志上。

量子相干控制是量子技术最基本的要素,引发了信息处理,模拟和感知领域的量子革命。而在这其中,量子绝热演化是一种非常强大且通用的相干控制技术,因为它对控制误差有内在的鲁棒性。除了在量子态制备,量子模拟和量子计算上的重要应用,它本身在阿贝尔和非阿贝尔几何相上有很多有趣的物理性质。

然而,传统的量子绝热条件(这可以追溯到经典热力学里的极缓慢且可逆的绝热过程)要求绝热演化的速度要远小于系统哈密顿量的最小能隙,因而限制了绝热演化的速度。另一方面,在现实的应用中,为了避免环境的干扰,需要快速的演化。因为这个矛盾使得绝热方法在实际应用中受到一定的限制。虽然量子绝热条件已有很长的发展历史,但是就在最近,德国乌尔姆大学理论工作者王振宇和Martin B. Plenio现量子绝热演化中的关键并不是最小能隙,而是动力学相位,据此提出新的绝热判据。而传统的绝热条件并不是绝热演化的必要条件,所以绝热演化的速度并不需要被最小能隙束缚。

通过新判据,我们设计了一种存在能级交叉的绝热演化,并且利用金刚石内的氮空位缺陷单自旋体系实验验证了这一点。此外,我们也展示了即使在有很大的能隙且足够缓慢的演化仍然是非绝热演化,而这种情况确实被新判据所否定。这两种情况验证了新绝热判据是充分必要的,证明传统的绝热条件是绝热演化的既不充分也不必要的,使用该条件来设计绝热路径是不可靠的。

从新判据可以得知,跳跃式的绝热路径可以突破量子绝热速度极限,这挑战了绝热速度必须很缓慢的传统观念。此外,该方法可以在有限时间内剔除非绝热效应的影响,但是与绝热捷径不同仍保有对噪声的抵抗性,而且可以避免实验中难以实现的一些路径点。

总之,因为摆脱了传统绝热条件对能隙的限制,我们的工作为快速且鲁棒的量子绝热技术提供了新的方向。

中科院微观磁共振重点实验室博士后许克标和博士生谢天宇为该文共同第一作者,乌尔姆大学博士后王振宇和我室杜江峰教授为共同通讯作者。上述研究得到了科技部、国家自然科学基金委、科学院和安徽省的资助。


论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaax3800.abstract


(中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)