一個簡單的三量子比特裝置展示了疊加控制如何隨時間推移意外地增強量子行為。

數(shù)十年來，物理學家認為，即使是最奇異的量子物體，其行為在時間維度上的關(guān)聯(lián)強度也存在一個硬性極限。無論一個系統(tǒng)具有多么強的量子性，人們認為其現(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隊表明，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間演化疊加態(tài)（即一個量子物體可以同時存在于多種狀態(tài)的特性）下進行演化，從而將量子關(guān)聯(lián)（量子物體或系統(tǒng)之間的聯(lián)系）推向了長期被認為牢不可破的界限之外。這一結(jié)果不僅增進了我們對量子性隨時間變化的真實含義的理解，而且為量子計算機和傳感器能夠以比以前更長的穩(wěn)定工作時間運行指出了新途徑。

經(jīng)典與量子物體之別

這項研究的核心是1985年由物理學家安東尼·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)學檢驗方法，現(xiàn)在稱為萊格特-加格不等式，用于檢驗一個物體在不同時間點被測量時，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，因為它們在不同時間的屬性具有異常強烈的關(guān)聯(lián)。然而，理論學家認為，即使是量子系統(tǒng)，也只能違反這個不等式到一個嚴格的極限值，即所謂的時間性齊雷爾松界限。

在常規(guī)的量子演化框架下，突破這個界限被認為是不可能的，但這項新研究表明，這個假設并非總是正確的。研究人員提出，與其迫使一個量子系統(tǒng)僅遵循一種時間演化，不如讓它同時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)的物體同時順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。這在經(jīng)典世界毫無意義，但在量子力學中通過疊加態(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，也是量子計算機的基本單元。在他們的實驗中，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（目標量子比特）將如何演化；第三個量子比特則用于在不同時刻讀取目標量子比特的信息。

通常情況下，當一個量子比特在單一、明確定義的規(guī)則（稱為幺正演化）下隨時間演化時，它違反萊格特-加格不等式的程度受TTB限制。然而，在這個實驗中，控制器量子比特使目標量子比特同時處于兩種不同演化的疊加態(tài)中。結(jié)果，目標量子比特同時遵循了兩條不同的歷史路徑。

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

當引入噪聲和環(huán)境干擾（即退相干）時，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間。然而在這里，時間演化的疊加態(tài)使得量子關(guān)聯(lián)持續(xù)的時間要長得多。事實上，在實驗中，目標量子比特保持可測量的量子時間關(guān)聯(lián)的時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)中實驗實現(xiàn)了幺正演化的疊加，并展示了這種增強的違反。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-加格不等式的時間，展示了其對抗退相干的改進魯棒性。"

下一步挑戰(zhàn)是規(guī)?；?/strong>

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

從實際角度來看，這項工作為量子技術(shù)提供了一個強大的新工具。持久且可控的量子行為對于量子計算至關(guān)重要，因為脆弱的量子比特需要極其精確的操控。同樣的思想也有益于量子計量學，例如對磁場或電磁場的超靈敏測量，更強且更持久的量子關(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驗室環(huán)境下，使用核磁共振系統(tǒng)完成的。要將這些思想擴展到更大、更復雜的量子設備上將面臨挑戰(zhàn)。未來的工作將側(cè)重于在其他平臺上測試類似的時間演化疊加，并理解這些極端的時間關(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》期刊上。

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