开放量子系统的量子速率极限

Quantum speed limit (QSL), one of the most important research fields in the theory of open quantum systems, determines the ultimate limit to the operational speed of quantum computers. This program is aimed at exploring the characterization and application of QSL, and its realization in real quantum systems in theory. The main research work includes the construction of an optimal QSL inequality associated with the average energy of open quantum systems; the establishment of a standard definition for QSL-related quantum speedup, together with the exploration of a complete mechanism for dynamical acceleration; and the design of schemes for the detection and control of QSL in nitrogen-vacancy (N-V) color centers in diamond. This theoretical program not only provides deep insights into the dynamical speed limit in open quantum systems, but is also helpful in establishing a sound theoretical basis for N-V based quantum computation and quantum information processing.

量子速率极限(QSL)决定了量子计算机的终极运算速度，是目前开放量子系统理论的重要研究方向之一。本项目旨在从理论上探讨开放量子系统中QSL的度量、应用及其在具体量子系统中的物理实现等问题。主要研究工作包括构建开放量子系统中与系统平均能量相关的最优QSL不等式；建立与QSL紧密相关的量子加速的界定标准，并以此探索量子加速产生的完整物理机制；设计出基于金刚石氮-空位(N-V)色心系统下探测及调控QSL的理论方案。本项目不仅有助于深入理解开放量子系统中的演化速率极限问题，而且可以为实现基于金刚石N-V色心系统的量子计算与量子信息处理提供理论基础。

本项目从开放量子系统中的量子速率极限问题出发，围绕开放量子系统中量子速率极限的度量、应用及其在金刚石氮-空位系统中的物理实现等问题开展了基础性和前瞻性的理论研究。经过四年的努力，项目已顺利完成，并取得了如下代表性研究成果：(1). 提出了“极端退相干”理论，即退相干速率的理论上限。通常而言，对于k-体相互作用的物理系统，其退相干率随粒子数呈多项式增长。而量子涨落混沌系统将展现出极端的退相干性质，其退相干率将随粒子数呈指数方式增长，这是一种全新的退相干方式。(2). 建立了量子无跃迁驱动中量子加速与驱动功耗的一般关系，并在金刚石氮-空位中心的电子自旋三能级Landau-Zener模型中设计了验证无跃迁驱动中功耗与演化速率关系的方案。(3). 提出了利用单量子比特测量多体观测量的一般方法。该理论方案对被测系统没有过多限制，无论是处于平衡态还是非平衡态，量子或经典，都可以通过这个方法快速高效地重构概率分布。本项目的顺利完成为进一步研究开放量子系统中的非平衡物理起到了推动作用。