时间不断发展的中微子[35]及其振荡的重点,并从各个角度刺激了研究。在最自然的粒子物理学[35]上,中微性振荡的动态特性[10,11,44]被大量研究并扩展到与众多相关的分解相关的众多且似乎很远的研究[8,9,9,11,11 24,24,31,41,41,47]或各种量子信息[5,6,10,33,33,33],但如此广泛的兴趣似乎至少是部分动机,不仅是由于从量子信息处理中借用的粒子物理方法和计算技术领域的自然适用性,而且是由于最新的信息传输作为利用中微子[52]或引力[1]反映了越来越多的人类梦想的internellar neversnellar [25]的资源的尝试[52]或重力[1]。可以将基于量子信息的中微子研究分为两个重叠 -
量子速度极限 (QSL) 何时才是真正的量子?虽然 QSL 时间的消失通常表示经典行为的出现,但目前仍未完全了解经典性的哪些方面是这种动力学特征的起源。在这里,我们表明 QSL 时间的消失(或量子速度的发散)可以追溯到量子可观测量不确定性的降低,因此可以理解为这些特定可观测量出现经典性的结果。我们通过为经历一般高斯动力学的连续变量量子系统开发 QSL 形式来说明这种机制。对于这些系统,我们表明导致 QSL 时间消失的三个典型场景,即大压缩、小有效普朗克常数和大粒子数,可以从根本上相互联系。相反,通过研究开放量子系统和混合态的动力学,我们表明由于添加经典噪声而导致状态不相干混合而出现的经典性通常会增加 QSL 时间。
噪声的存在或与环境的相互作用可以从根本上改变原本孤立的量子系统的可观测量的动态。我们推导出开放量子系统可观测量演化速度的界限。这个速度限制分为 Mandelstam 和 Tamm 的原始时间-能量不确定性关系和最近为经典系统推导出的时间-信息不确定性关系,并且两者都推广到开放量子系统。通过分离系统动力学的相干和非相干贡献,我们推导出演化速度的下限和上限。我们证明后者对可观测量的速度提供了比以前已知的量子速度限制更严格的限制,并且速度算子的首选基础可以完全表征达到速度极限的可观测量。我们使用这种构造来限制非相干动力学对可观测量演化的影响,并找到为可观测量的演化提供最大相干加速的哈密顿量。
基本量子门(尤其是双量子比特门)的速度最终决定了量子电路运行速度的极限。在这项工作中,我们通过实验证明了常用的双量子比特门的速度几乎是两个超导传输量子比特之间的物理相互作用强度所允许的最快速度。我们通过实施使用机器学习启发的最优控制方法设计的实验门来实现这一量子速度极限。重要的是,我们的方法仅要求单量子比特驱动强度略大于相互作用强度,即可实现接近其分析速度极限的任意双量子比特门,并且保真度高。因此,该方法适用于各种平台,包括具有可比单量子比特和双量子比特门速度的平台,或具有始终在线相互作用的平台。我们期望我们的方法能够为非原生双量子比特门提供显著的加速,而这通常是通过一长串单量子比特和原生双量子比特门来实现的。
摘要 Mandelstam-Tamm 量子速度极限 (QSL) 对纯态封闭系统的演化速度设定了一个上限。在本文中,我们推导出该 QSL 的几种扩展,以用于混合态封闭系统。我们还比较了这些扩展的强度并检查了它们的紧密性。Mandelstam-Tamm QSL 最广泛使用的扩展源自 Uhlmann 的能量色散估计。我们仔细分析了该估计的底层几何,该分析表明 Bures 度量或等效的量子 Fisher 信息很少会产生紧密扩展。这一观察结果引导我们解决是否存在 Mandelstam-Tamm QSL 的最紧密通用扩展。使用与 Uhlmann 开发的几何构造类似的几何构造,我们证明了情况确实如此。此外,我们表明混合态的紧密演化通常由时变哈密顿量产生,这与纯态系统的情况形成对比。
速度极限(1μs门= 1 MHz速率)来自对“重”粒子(1个离子)的光学操纵。要以速率获得精确的控制,需要以速率»1000 R的经典电子设备。所有方法都具有经典控制的速度限制。因此,显然是“更快”的方法(量子点等)在实践中可能并非如此。
就像我们日常使用的计算机一样,普适性——原则上运行任何算法的能力——是量子计算的核心概念。在当前证明普适性的竞赛中,以及在更大的系统中首次成功报告普适性[1],这一点比以往任何时候都更加真实。人们经常争论[2],普适性本身就是普遍的,例如几乎所有系统都是普适的,如果不是,稍微改变一下参数就会变成普适的。即使在嘈杂的系统中也是如此,在这种系统中,普适性需要与错误校正相结合。然而,我们认为,这还有另一面:如果任何非普适系统接近普适系统,那么许多普适系统也危险地接近非普适系统。那么普适性可能是不稳定的或低效的。事实上,大自然似乎不愿探索高维动力学[3],而简单的非普适系统往往是很好的近似值。致力于设计量子光学中的弱非线性、超导系统中的弱非谐性或避免固态系统中的光谱拥挤的实验物理学家非常清楚这些限制。在这里,我们将这种直觉放在一个精确的框架中,我们称之为可控性的量子距离,并展示它与一个众所周知的难以计算但独立有趣的量的关系:量子速度极限 [4–6]。值得指出的是,有许多不同的速度极限,一些用于状态变换,一些用于幺正变换;一些用于不受控动力学,一些用于受控动力学,请参阅 [4] 中的综述。我们在这里关注的是系统的受控演化。
量子传感和量子信息处理利用量子优势(例如压缩态),以更高的精度对感兴趣的量进行编码并产生量子关联,从而超越传统方法。在谐振子中,产生压缩的速率由量子速度极限设定。因此,在实践中可以使用量子优势的程度受到创建状态所需的时间相对于不可避免的退相干速率的限制。或者,谐振子频率的突然变化将基态投射到压缩态,这可以绕过时间限制。在这里,我们通过光学晶格中原子的谐振频率的突然变化来创建原子运动的压缩态。基于此协议,我们展示了可用于检测运动的位移算子的快速量子放大。我们的结果可以加速量子门并实现嘈杂环境中的量子传感和量子信息处理。