一個簡單的三量子比特裝置展示了疊加控制如何隨時(shí)間推移意外地增強(qiáng)量子行為。

數(shù)十年來，物理學(xué)家認(rèn)為，即使是最奇異的量子物體，其行為在時(shí)間維度上的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度也存在一個硬性極限。無論一個系統(tǒng)具有多么強(qiáng)的量子性，人們認(rèn)為其現(xiàn)在與過去和未來的關(guān)聯(lián)程度都存在一個上限。然而，現(xiàn)在，一個來自印度和波蘭的研究團(tuán)隊(duì)表明，利用量子比特——量子技術(shù)最基本的構(gòu)建單元之一，可以戲劇性地打破這一極限。

他們讓一個量子比特在不同的時(shí)間演化疊加態(tài)（即一個量子物體可以同時(shí)存在于多種狀態(tài)的特性）下進(jìn)行演化，從而將量子關(guān)聯(lián)（量子物體或系統(tǒng)之間的聯(lián)系）推向了長期被認(rèn)為牢不可破的界限之外。這一結(jié)果不僅增進(jìn)了我們對量子性隨時(shí)間變化的真實(shí)含義的理解，而且為量子計(jì)算機(jī)和傳感器能夠以比以前更長的穩(wěn)定工作時(shí)間運(yùn)行指出了新途徑。

經(jīng)典與量子物體之別

這項(xiàng)研究的核心是1985年由物理學(xué)家安東尼·萊格特和阿努帕姆·加格提出的一個著名思想。他們引入了一種數(shù)學(xué)檢驗(yàn)方法，現(xiàn)在稱為萊格特-加格不等式，用于檢驗(yàn)一個物體在不同時(shí)間點(diǎn)被測量時(shí)，其行為像經(jīng)典物體還是量子物體。經(jīng)典物體遵守這個不等式，而量子物體可以違反它，因?yàn)樗鼈冊诓煌瑫r(shí)間的屬性具有異常強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)。然而，理論學(xué)家認(rèn)為，即使是量子系統(tǒng)，也只能違反這個不等式到一個嚴(yán)格的極限值，即所謂的時(shí)間性齊雷爾松界限。

在常規(guī)的量子演化框架下，突破這個界限被認(rèn)為是不可能的，但這項(xiàng)新研究表明，這個假設(shè)并非總是正確的。研究人員提出，與其迫使一個量子系統(tǒng)僅遵循一種時(shí)間演化，不如讓它同時(shí)遵循兩種不相容的演化。用日常語言來說，這就像命令一個旋轉(zhuǎn)的物體同時(shí)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這在經(jīng)典世界毫無意義，但在量子力學(xué)中通過疊加態(tài)是允許的。

挑戰(zhàn)萊格特-加格不等式

該研究的作者專注于量子比特，即經(jīng)典比特的量子版本，也是量子計(jì)算機(jī)的基本單元。在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們使用了一種有效承載三個量子比特的分子，并利用核磁共振技術(shù)進(jìn)行研究。每個量子比特都有特定的角色：第一個量子比特作為控制器，被制備在量子疊加態(tài)，這個控制器決定第二個量子比特（目標(biāo)量子比特）將如何演化；第三個量子比特則用于在不同時(shí)刻讀取目標(biāo)量子比特的信息。

通常情況下，當(dāng)一個量子比特在單一、明確定義的規(guī)則（稱為幺正演化）下隨時(shí)間演化時(shí)，它違反萊格特-加格不等式的程度受TTB限制。然而，在這個實(shí)驗(yàn)中，控制器量子比特使目標(biāo)量子比特同時(shí)處于兩種不同演化的疊加態(tài)中。結(jié)果，目標(biāo)量子比特同時(shí)遵循了兩條不同的歷史路徑。

當(dāng)研究人員測量目標(biāo)量子比特在不同時(shí)間的行為關(guān)聯(lián)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)對萊格特-加格不等式的違反程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了TTB。更重要的是，這種增強(qiáng)并非隨機(jī)。研究人員表明，時(shí)間演化被置于疊加態(tài)的程度越強(qiáng)，違反的幅度就越大。這意味著這種效應(yīng)可以被精細(xì)地調(diào)節(jié)和控制。

當(dāng)引入噪聲和環(huán)境干擾（即退相干）時(shí)，發(fā)生了更令人驚訝的事情。退相干通常會迅速破壞量子行為，限制量子比特存儲或處理信息的時(shí)間。然而在這里，時(shí)間演化的疊加態(tài)使得量子關(guān)聯(lián)持續(xù)的時(shí)間要長得多。事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)量子比特保持可測量的量子時(shí)間關(guān)聯(lián)的時(shí)間比通常情況長約五倍。

研究作者指出："我們在核磁共振系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了幺正演化的疊加，并展示了這種增強(qiáng)的違反。在存在噪聲的情況下，這種幺正演化的疊加顯著延長了違反萊格特-加格不等式的時(shí)間，展示了其對抗退相干的改進(jìn)魯棒性。"

下一步挑戰(zhàn)是規(guī)模化

從根本層面上看，這項(xiàng)研究改變了我們對量子系統(tǒng)隨時(shí)間演化的理解。違反TTB意味著量子系統(tǒng)的過去與未來之間的關(guān)聯(lián)可以比之前認(rèn)為的強(qiáng)得多。這推進(jìn)了量子世界終結(jié)和經(jīng)典行為開始的分界。

從實(shí)際角度來看，這項(xiàng)工作為量子技術(shù)提供了一個強(qiáng)大的新工具。持久且可控的量子行為對于量子計(jì)算至關(guān)重要，因?yàn)榇嗳醯牧孔颖忍匦枰獦O其精確的操控。同樣的思想也有益于量子計(jì)量學(xué)，例如對磁場或電磁場的超靈敏測量，更強(qiáng)且更持久的量子關(guān)聯(lián)可以直接提升性能。

然而，目前的演示是在精心控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用核磁共振系統(tǒng)完成的。要將這些思想擴(kuò)展到更大、更復(fù)雜的量子設(shè)備上將面臨挑戰(zhàn)。未來的工作將側(cè)重于在其他平臺上測試類似的時(shí)間演化疊加，并理解這些極端的時(shí)間關(guān)聯(lián)在更一般的測量場景中如何表現(xiàn)。

該研究已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上。

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