Editors' Suggestion

Balancing the Quantum Speed Limit and Instantaneous Energy Cost in Adiabatic Quantum Evolution

Jianwen Xu (徐建文), Yujia Zhang (张宇佳), Wen Zheng (郑文), Haoyang Cai (蔡浩阳), Haoyu Zhou (周浩宇), Xianke Li (李先科), Xudong Liao (廖绪东), Yu Zhang (张钰), Shaoxiong Li (李邵雄), Dong Lan (兰栋), Xinsheng Tan (谭新生), and Yang Yu (于扬)

Chin. Phys. 2024, 41 (4): 040202

DOI: 10.1088/0256-307X/41/4/040202

文章亮点

揭示了在量子绝热过程中量子速度极限和瞬时能量消耗之间的关系，演示了快速、高保真度的量子态演化，为实现实用化量子优化控制提供了新视角。

量子速度极限和瞬时能量消耗平衡状态下的量子绝热演化。上图左：在系统哈密顿量H₀(t)驱动的绝热过程中由于非绝热跃迁而不能从初始状态|ψ_i⟩演化到目标状态|ψ_f⟩；中：在H₀(t)的旋转参考系中，通过引入适当的控制哈密顿量H₀’(t)使演化回归绝热过程；右：通过量子速度极限和能量消耗的关系，确定最佳绝热轨迹，最终实现快速、高保真度的绝热演化。左下图：在三种不同的系统驱动强度Ω₀下测量得到的不同演化时间内演化过程的绝热性质。右下图：传统绝热捷径方案（CD）和平衡量子速度极限和能量消耗方案（Opt.）的保真度在不同演化时间时下的对比结果。

追求量子绝热演化中速度极限和瞬时能量消耗的平衡

研究背景

长期以来，量子速度极限和量子绝热过程在基础物理研究和量子技术应用中都受到广泛关注。特别是在量子优化控制中，人们通过引入绝热捷径技术，构造特定的哈密顿量，以达到演化的速度极限。但通常忽略了这一过程中瞬时能量消耗，导致该技术应用在很多现实系统中受到影响，例如仪器设备本身功率的限制导致无法实现快速的量子驱动，或者像超导量子电路等系统具有非谐性较弱，如果量子驱动能量过大时会导致严重的量子态泄露。因此，需要研究量子速度极限和能量消耗的关系，以应对量子优化控制在实际应用中所面临的挑战。

内容简介

南京大学于扬课题组研究了量子绝热演化中量子速度极限和瞬时能量消耗之间的关系，利用超导量子电路演示了：即使量子系统中存在能隙关闭的情况，通过平衡量子速度极限和瞬时能量消耗，仍然能够实现快速、高度绝热的量子优化控制。通过与传统绝热捷径方案对比，发现在实际量子系统中，能量消耗也扮演着重要的角色。

研究意义和重要性

该工作通过研究量子速度极限与瞬时能量消耗之间关系，实现了快速、高保真度的量子绝热演化，为量子优化控制提供了一种新的路径。

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