我院郭光灿院士团队李传锋、刘曌地等实现多体量子速度极限 [2025-11-05]

我院郭光灿院士团队在量子系统的演化速度极限研究中取得重要进展。该团队李传锋、刘曌地等人通过高精度地控制量子系统演化时间，直接测量了量子系统演化速度，实现了基于可观测量的多体量子速度极限。该成果10月31日发表在国际知名期刊《科学·进展》上。

从能量-时间不确定关系发展而来的量子速度极限从根本上决定了量子系统演化的最大速度，对于实现量子态的快速变换从而实现量子任务具有重要意义。然而，之前的研究工作主要聚焦在单体量子系统的速度极限。实验上如何探索多体量子系统的速度极限，以及噪声会如何影响多体量子系统演化速度，依然是亟待解决的问题。

为了更好的控制量子系统的演化，研究团队前期已进行一系列的研究。首先发展了一套对光子偏振和频率进行完备调控的方法，实现了完全可控的相位退相干量子模拟器[Nat.Commun. 9, 3453 (2018)]。接着，为了量子隐形传态任务中更好的克服噪声，开发了基于非局域记忆效应的方法[Phys. Rev. A 102, 062208 (2020)]，和只需对单量子系统进行相位调制的多体混合纠缠方法[Science Advances 10, eadj3435 (2024)]。基于以上成果，研究团队在本工作中设计并实现了基于可观测量的多体量子速度极限实验。

研究团队首先发展了适用于噪声环境的多体量子系统演化速度极限的理论，证实了多体最大纠缠态，多体直积态和单体态的量子速度极限比为N:N:1，其中N为粒子数（图1）。实验中通过高精度控制演化时间直接测量了两体量子系统的演化速度，证实了相比两体直积态和单体量子态，两体最大纠缠态有着最快的演化速度（图2）。接着，实验证实了不同的最大纠缠态也会导致不同的演化速度极限，也就是为了达到最佳演化速度，需要根据任务构建最优的最大纠缠态。最后，在马尔可夫噪声环境中实现了非幺正量子系统演化，证实了即使在噪声环境中，量子系统演化速度极限不仅有最大限制，还有最小限制。

该工作将有助于表征复杂量子系统动力学瞬态特性，并对控制大规模量子系统的演化速度有重要意义。审稿人不仅对该工作本身给予很高评价，还对未来可能的发展给出了指引：“As an outlook, it would be highly interesting to follow up on this experimental research line to analyze non-Markovian and non-Hermitian quantum evolutions and the closely related relation between the stochastic operator variance and OTOC（展望未来，继续沿着这条实验研究路线分析非马尔可夫和非厄米量子演化，以及随机算子方差和非时序关联子之间的密切关系将非常有趣）”。

图1 多体直积态和多体纠缠态的加速量子演化示意图

图2 高精度控制量子演化的两体系统实验装置图

量子网络安徽省重点实验室博士研究生苗瑞恒和特任副研究员刘曌地为该工作的共同第一作者。该研究工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金会和安徽省自然科学基金的资助。

 文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady0497

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）