波恩大学 第一作者马诺洛·里维拉·林(左)和首席研究员博士
波恩大学应用物理研究所的安德里亚·阿尔贝提(右)
信用:沃尔克·兰纳特/统一波恩 即使在有着自己特殊规则的最小粒子的世界里，事物也不能无限快地发展
波恩大学的物理学家已经展示了复杂量子操作的速度极限
来自麻省理工学院、汉堡大学、科隆大学和帕多瓦大学以及尤里克研究中心的科学家也参与了这项研究
这些结果对于量子计算机的实现非常重要
它们发表在著名的《物理评论十》杂志上，并被美国物理学会的《物理杂志》所覆盖
假设你观察到一个服务员(封锁已经成为历史)，他在新年前夜必须在午夜前几分钟端上一整盘香槟酒杯
他以最快的速度从一个客人冲到另一个客人
由于他的技术，经过多年的完善工作，他仍然设法不洒出哪怕一滴珍贵的液体
一个小技巧帮助他做到了这一点:当服务员加快脚步时，他稍微倾斜托盘，这样香槟就不会从杯子里溢出来
走到桌子的一半时，他朝相反的方向倾斜桌子，然后放慢速度
只有当他完全停下来的时候，他才重新把它直立起来
原子在某些方面类似于香槟
它们可以被描述为物质波，其行为不像台球，更像液体
因此，任何想尽快将原子从一个地方转移到另一个地方的人都必须像除夕的侍者一样熟练
“即使那样，也有一个速度限制，这种交通工具不能超过，”博士解释说
安德里亚·阿尔贝提，波恩大学应用物理研究所该项研究的负责人
铯原子作为香槟酒的替代品 在他们的研究中，研究人员通过实验研究了这个极限到底在哪里
他们用一个铯原子作为香槟替代品，两个激光束完美地叠加在一起，但作为一个托盘指向彼此
这种被物理学家称为干涉的叠加产生了一种驻波光:一系列最初不移动的山脉和山谷
“我们将原子装入其中一个山谷，然后使驻波运动——这取代了山谷本身的位置，”阿尔贝提说
“我们的目标是在尽可能短的时间内将原子送到目标位置，也就是说，不要让它溢出山谷
" 60多年前，两位苏联物理学家列昂尼德·曼德尔斯塔姆和伊戈尔·塔姆已经从理论上证明了微观世界中存在速度极限的事实
他们证明了量子过程的最大速度取决于能量的不确定性
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，就其可能的能量状态而言，被操纵的粒子是如何“自由”的:它拥有的能量越自由，它就越快
例如，在原子输运的情况下，铯原子被俘获的谷越深，谷中量子态的能量越分散，最终原子能被输运得越快
在侍者的例子中可以看到类似的情况:如果他只把杯子装满一半(让客人懊恼)，他在加速和减速时溢出香槟的风险就更小
然而，粒子的能量自由度不能任意增加
“我们不能让我们的山谷无限深——那会耗费我们太多的精力，”阿尔贝提强调
史考特，把我吊起来！ 曼德斯坦和塔姆的速度限制是一个基本限制
然而，人们只能在某些情况下才能达到它，即在只有两个量子态的系统中
“例如，在我们的例子中，当起点和终点非常接近时，就会发生这种情况，”物理学家解释说
“然后原子在两个位置的物质波重叠，原子可以一次直接传送到目的地，也就是说，中间没有任何停顿——几乎就像《星际迷航》中的星际飞船企业中的传送一样
" 然而，在波恩实验中，当距离增长到几十个物质波宽时，情况就不同了
对于这些距离，直接传送是不可能的
相反，粒子必须经过几个中间状态才能到达它的最终目的地:两级系统变成了多级系统
研究表明，这种过程的速度极限比两位苏联物理学家预测的要低:它不仅取决于能量的不确定性，还取决于中间态的数量
这样，这项工作提高了对复杂量子过程及其约束的理论理解
物理学家的发现很重要，尤其是对量子计算而言
量子计算机可能进行的计算大多基于对多级系统的操作
然而，量子态非常脆弱
它们只持续很短的时间，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非常重要
“我们的研究揭示了我们在相干时间内可以完成的最大操作数，”阿尔贝提解释道
“这使得对它的最佳利用成为可能
"
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