У сложных квантовых операций нашли верхний предел скорости

Международная команда исследователей экспериментально показала предел скорости для сложных квантовых операций. Открытие поможет в разработке квантовых компьютеров.
У сложных квантовых операций нашли верхний предел скорости
Pixabay

Переходы между энергетическими состояниями не могут происходить бесконечно быстро. Фундаментальный предел скорости для простых систем физики установили еще 60 лет назад. Теперь такой же предел ученые нашли и для многочастичных систем

То, что в микромире существует предел скорости, уже более 60 лет назад теоретически показали два советских физика — Леонид Мандельштам и Игорь Тамм. Они вычислили, что максимальная скорость квантового процесса зависит от энергетической неопределенности — от того, насколько «свободна» манипулируемая частица по отношению к своим возможным энергетическим состояниям. Чем больше у такой частицы энергетической свободы, тем быстрее она может двигаться. 

Например, в случае перемещения атома между двумя состояниями энергии, чем глубже энергетическая яма, в которую он попадает, тем более разбросаны по энергии квантовые состояния в этой яме и тем выше скорость, с которой атом будет «падать» в нее. Но сделать эту энергетическую долину бесконечно глубокой физически невозможно — значит, где-то должен быть предел глубины этой ямы и, следовательно, скорости, с которой атом «падает» в нее.

Предел скорости Мандельштама—Тамма — это фундаментальная величина. Достичь его можно только в системах с двумя квантовыми состояниями. Международная команда физиков выяснила, каким будет предел скорости в системах с большим числом квантовых состояний. В них частица должна пройти несколько стадий, прежде чем достигнет стабильного положения. 

Исследование показывает, что предел скорости сложных квантовых операций ниже, чем у более простых, для которых проводили свои расчеты Тамм и Мандельштам. Его величина, как оказалось, свяазана не только с энергетической неопределенностью, но и с числом промежуточных состояний. Таким образом, работа улучшает теоретическое понимание сложных квантовых процессов и их ограничений. По словам авторов исследования, результаты их работы можно использовать для улучшения функционирования сложных квантовых систем.

Статья об открытии опубликована в журнале Physical Review X.