跳到主要内容

话题

量子

量子

物理学家为复杂量子运营解决了几个世纪历史的Brachistochrone问题

21 Apr 2021 Isabelledumé.
Brachistochrone问题
研究首次作者Manolo Rivera Lam(左)和波恩大学应用物理研究所的Andrea Alberti(右)。 信用:©Volker Lannert / Uni Bonn

在德国波恩大学的物理学家领导的研究人员表示,复杂量子操作约为17毫米的“速度限制”约为17毫米。通过制定它们在两点之间运输原子之间的速度,同时仍然保留其量子状态的信息,该团队通过速度获得了这一结果。该实验要求团队在一系列加速和减速序列中运输原子,可以帮助优化诸如量子传感和量子计算等应用中的速度和准确性。

只要1696年瑞士数学家约翰伯努利,就提出了最短时间或路径的概念,以1696年约翰·伯努利,他们着名 Brachistochrone问题 涉及确定允许珠子在最少的时间内滑动它的线的形状。虽然物理学家对简单,两级,量子系统的解决方案来说,这是连接这两个状态的最快路径 - 它们遇到了更复杂,多级,量子系统的问题,如大多数量子计算机基于。

灯传送带

在新工作中, andrea alberti波恩大学应用物理研究所 他的同事开始通过使用两个重叠(叠加)的反向激光束进行光学陷阱来开始。光束的叠加(或干涉)产生夹格或常设波,其包含最初静态的峰值和谷的序列。然后,研究人员将铯-133的原子装入其中一个山谷,并使用微波炉将其冷却至其最低(接地)振动状态。在这种状态下,原子可以被描述为一幅表现出不像台球的物质浪潮,而是更像是液体,Albertize说,并且它可能与最小的幅度振荡。

为了运送这种液体样原子,研究人员将常设波处置在运动中,这使得谷的位置使其移动到最近的邻居。它们可以使用快速偏振合成器来改变该运动的速度并跟踪在子纳米级上的速度。此设置使它们能够以恒定和不同的速度运输原子所需的灵活性。

该实验的目的是在最短的时间内将原子波袋在其尺寸(总约为0.5微米)的距离上运输,而没有山谷的原子“溢出”。在这些条件下,原子以其开始的相同能量状态到达目的地。节省这种状态,这是脆弱的,因为它对环境中的干扰敏感,意味着存储在该状态的任何信息都不会丢失 - 量子计算的先决条件。

运输保真度

为了测试他们的技术,Alberti和同事衡量了Atom的运输保真度 - 一个参数,其特征是atom的初始和最终状态如何。他们发现当原子以不同的加速和减速速度运输时,它们取得了更好的保真度。这些变化或“Wiggling”,有效地取消了转变对几个中间状态的影响,原子必须在旅行时经历。

这种摆动确保当它到达其最终目的地时,原子在达到其最终目的地时,在简单的两个量子状态下不会发生,其中原子的开始和终点彼此非常接近。在这种情况下,解释Alberti,在两个位置处的原子的物质波可以重叠,并且可以一次地运输到目的地 - 即,不必通过任何中间状态。

他将挥动Wiggling与一名携带半满香槟玻璃的整个托盘以顶部速度的桌子上的服务员,而不会溢出掉落。在他类比中,托盘是光学阱和香槟铯原子。当服务员迅速走路时,他稍微倾向于托盘,以便香槟不会泄漏出眼镜。当他再次向下减慢时,当他接近桌子时,他沿相反方向倾向于托盘。 “只有当他来到一个完整的停止时,他再次坚持下去,”艾伯蒂解释道。

“任何想要将原子交付给另一个职位的人都必须像服务员那样娴熟,但即使那么,这种运输不能超过的速度限制,”他说。实际上,研究人员计算出在运输原子的平均速度低于17毫米/秒的情况下,运输保真度最佳。

这项工作,详细说明 物理评论X.阿尔伯蒂说,对量子计算有影响。因为量子态是脆弱的,他们持续很短的时间(称为他们的一致时间)。这使得尽可能多地将计算操作包装到该短间隔中。 “我们的研究揭示了我们在这次可以表现的最大操作数,从而使其最佳使用,”Alberti得出结论。

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者