山东大学郑雨军教授团队量子体系演化速率极限展示量子局域性

　　研究内容
　　量子速率极限（QuantumSpeedLimitQSL）描述量子体系从初态演化到目标态所能达到的最大速率。与其相应的是量子体系从初态演化到目标态的最短时间：量子速率极限时间（QuantumSpeedLimitTimeQSLT）。研究量子速率极限不仅有助于深入理解广义时间能量不确定关系等量子力学基本问题，而且在量子技术的一些研究领域也具有重要的科学意义，如量子通信、量子计算和量子模拟，以及对量子系统状态和动力学过程的最优控制等。同时，QSL在量子非平衡热力学、量子熵减及熵产率等领域也具有重要的意义。
　　人们已经发展了不同类型的量子速率极限。1945年Mandelstam和Tamm给出量子体系从一个量子态演化到与其正交量子态的最短时间是tmin2E，被称为MandelstamTamm（MT）量子速率极限界。1998年Margolus和Levitin建立了QSLT与量子体系能量平均值的关系：tmin2E，人们称之为MargolusLevitin（ML）量子速率极限界。此后，人们又把上述量子速率极限推广至开体系、多体量子体系等，并广泛研究了量子体系演化的物理内禀因素以及量子纠缠、量子相干、量子体系非马尔可夫性等对量子速率极限的影响等。2019年山东大学郑雨军教授团队基于量子力学几何性以及其规范不变性，建立了一种不同于上述MT和ML界的量子体系最大演化速率的界限〔1〕：建立了量子体系演化速率与几何相位的关系，为操控量子体系的几何演化、加速几何量子计算等提供了潜在方案和途径，对理解量子熵减等问题具有科学意义。2021年郑雨军教授团队基于量子力学几何性质，应用希尔伯特空间动力学李群理论，建立发展了量子速率极限统一界〔2〕：用量子体系相位变化率度量量子体系演化速率极限，同时，阐释了此前已有的不同类型量子速率极限界所蕴涵的物理含义。
　　量子速率极限已经应用到很多量子体系。作为重要的量子体系之一，受驱穿越免交叉区域的二能级体系与很多有趣的物理现象有关，例如，多阶跃迁，LandauZenerStckelberg干涉和隧穿相干相消（CoherentDestructionofTunneling，CDT）等。此外，该二能级体系也在量子点和束缚离子的研究中受到广泛关注，并已被实验上用于研究量子比特。由于该体系中出现的免交叉区域存在较长的相干时间，在量子信息处理（QuantumInformationProcess，QIP）方面具有重要意义。
　　考虑到量子速率极限在量子技术中的潜在应用，以及二能级免能级交叉体系在QIP中的意义，二能级免能级交叉体系是见证CDT效应诱导量子态局域化的合适体系。
　　量子态局域化，即量子态的远距离作用及传输速度存在界限，是量子力学的一个基本问题。最近，山东大学郑雨军教授团队应用量子速率极限方法展示了二能级免能级交叉体系的量子态局域化。该工作以Witnessinglocalizationofaquantumstateviaquantumspeedlimitsinadrivenavoidedlevelcrossingsystem为题，发表在TheJournalofChemicalPhysics上〔3〕。研究结果表明，在局域区间内，量子速率极限和测地线距离发生周期性振荡，且在其振荡周期内存在量子相干，反映了量子态的局域化。在此动力学过程中，量子态的动力学演化受到抑制，这也是CDT效应导致的结果。因此量子速率极限表明量子态的演化可以通过CDT效应进行抑制，为利用CDT操纵量子相干提供了潜在途径。
　　量子速率极限可分为相干速率和布居速率。该工作表明相干速率对量子速率极限的贡献大于布居速率，对量子态局域化起主要作用。文章还研究了RWA近似和GVV近似中三阶修正的影响。RWA近似和GVV近似可视为对相干隧穿的粗粒平均。该粗粒平均导致量子速率极限的布居速率和相干速率对系统具有几乎相同的贡献。也就是说，粗粒平均消除了量子相干。这意味着RWA近似和GVV近似失去了提供信息的能力。由于相干速率对系统演化路径长度的贡献较大，对测地线长度的贡献较小，所以近似方法对量子速率极限时间的影响非常大，这令二能级免能级交叉体系在QIP的研究中起着至关重要的作用。
　　此外，该研究还指出了可在实验上通过光子发射研究CDT效应对量子速率极限影响的可能性。
　　参考文献：
　　〔1〕S。Sun，Y。Zheng，Distinctboundofthequantumspeedlimitviathegaugeinvariantdistance，Phys。Rev。Lett。123，180403（2019）。
　　〔2〕S。Sun，Y。Peng，X。Hu，Y。Zheng，Quantumspeedlimitquantifiedbythechangingrateofphase，Phys。Rev。Lett。127，100404（2021）。
　　〔3〕X。Hu，S。Sun，Y。Zheng，Witnessinglocalizationofaquantumstateviaquantumspeedlimitsinadrivenavoidedlevelcrossingsystem，J。Chem。Phys。156，134113（2022）。
　　原文信息
　　标题
　　Witnessinglocalizationofaquantumstateviaquantumspeedlimitsinadrivenavoidedlevelcrossingsystem
　　期刊号
　　J。Chem。Phys。156，134113（2022）
　　作者
　　XianghongHu（胡相虹），ShuningSun（孙舒宁），andYujunZheng（郑雨军）
　　原文链接
　　https：doi。org10。10635。0078207
　　期刊介绍
　　TheJournalofChemicalPhysics（JCP）创刊于1933年，由美国物理联合会出版。JCP为化学物理和理论化学领域的重要学术期刊，报道化学物理领域方法和应用研究的最新进展，内容涵盖理论方法和算法、计算软件、先进实验技术发展，以及高分子、材料、表面界面、生物体系等领域中与化学物理相关的理论和实验研究。化学物理和理论化学领域很多原创进展发表于JCP。
　　关于AIP出版社
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