量子比特以叠加时间路径演化突破长期量子极限

一个简单的三量子比特装置展示了叠加控制如何随时间推移意外地增强量子行为。

数十年来，物理学家认为，即使是最奇异的量子物体，其行为在时间维度上的关联强度也存在一个硬性极限。无论一个系统具有多么强的量子性，人们认为其现在与过去和未来的关联程度都存在一个上限。然而，现在，一个来自印度和波兰的研究团队表明，利用量子比特——量子技术最基本的构建单元之一，可以戏剧性地打破这一极限。

他们让一个量子比特在不同的时间演化叠加态（即一个量子物体可以同时存在于多种状态的特性）下进行演化，从而将量子关联（量子物体或系统之间的联系）推向了长期被认为牢不可破的界限之外。这一结果不仅增进了我们对量子性随时间变化的真实含义的理解，而且为量子计算机和传感器能够以比以前更长的稳定工作时间运行指出了新途径。

经典与量子物体之别

这项研究的核心是1985年由物理学家安东尼·莱格特和阿努帕姆·加格提出的一个著名思想。他们引入了一种数学检验方法，现在称为莱格特-加格不等式，用于检验一个物体在不同时间点被测量时，其行为像经典物体还是量子物体。经典物体遵守这个不等式，而量子物体可以违反它，因为它们在不同时间的属性具有异常强烈的关联。然而，理论学家认为，即使是量子系统，也只能违反这个不等式到一个严格的极限值，即所谓的时间性齐雷尔松界限。

在常规的量子演化框架下，突破这个界限被认为是不可能的，但这项新研究表明，这个假设并非总是正确的。研究人员提出，与其迫使一个量子系统仅遵循一种时间演化，不如让它同时遵循两种不相容的演化。用日常语言来说，这就像命令一个旋转的物体同时顺时针和逆时针旋转。这在经典世界毫无意义，但在量子力学中通过叠加态是允许的。

挑战莱格特-加格不等式

该研究的作者专注于量子比特，即经典比特的量子版本，也是量子计算机的基本单元。在他们的实验中，他们使用了一种有效承载三个量子比特的分子，并利用核磁共振技术进行研究。每个量子比特都有特定的角色：第一个量子比特作为控制器，被制备在量子叠加态，这个控制器决定第二个量子比特（目标量子比特）将如何演化；第三个量子比特则用于在不同时刻读取目标量子比特的信息。

通常情况下，当一个量子比特在单一、明确定义的规则（称为幺正演化）下随时间演化时，它违反莱格特-加格不等式的程度受TTB限制。然而，在这个实验中，控制器量子比特使目标量子比特同时处于两种不同演化的叠加态中。结果，目标量子比特同时遵循了两条不同的历史路径。

当研究人员测量目标量子比特在不同时间的行为关联时，他们发现对莱格特-加格不等式的违反程度远远超过了TTB。更重要的是，这种增强并非随机。研究人员表明，时间演化被置于叠加态的程度越强，违反的幅度就越大。这意味着这种效应可以被精细地调节和控制。

当引入噪声和环境干扰（即退相干）时，发生了更令人惊讶的事情。退相干通常会迅速破坏量子行为，限制量子比特存储或处理信息的时间。然而在这里，时间演化的叠加态使得量子关联持续的时间要长得多。事实上，在实验中，目标量子比特保持可测量的量子时间关联的时间比通常情况长约五倍。

研究作者指出："我们在核磁共振系统中实验实现了幺正演化的叠加，并展示了这种增强的违反。在存在噪声的情况下，这种幺正演化的叠加显著延长了违反莱格特-加格不等式的时间，展示了其对抗退相干的改进鲁棒性。"

下一步挑战是规模化

从根本层面上看，这项研究改变了我们对量子系统随时间演化的理解。违反TTB意味着量子系统的过去与未来之间的关联可以比之前认为的强得多。这推进了量子世界终结和经典行为开始的分界。

从实际角度来看，这项工作为量子技术提供了一个强大的新工具。持久且可控的量子行为对于量子计算至关重要，因为脆弱的量子比特需要极其精确的操控。同样的思想也有益于量子计量学，例如对磁场或电磁场的超灵敏测量，更强且更持久的量子关联可以直接提升性能。

然而，目前的演示是在精心控制的实验室环境下，使用核磁共振系统完成的。要将这些思想扩展到更大、更复杂的量子设备上将面临挑战。未来的工作将侧重于在其他平台上测试类似的时间演化叠加，并理解这些极端的时间关联在更一般的测量场景中如何表现。

该研究已发表在《物理评论快报》期刊上。

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