基本量子定理現(xiàn)在適用于有限溫度

絕對(duì)零 - 最適合量子實(shí)驗(yàn)和量子計(jì)算的溫度 - 使依賴一組基本命題更容易描述系統(tǒng)。其中之一，量子絕熱定理，如果外部參數(shù)變化足夠平滑，則可確保量子系統(tǒng)的更簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)。由于絕對(duì)零在物理上是無(wú)法達(dá)到的，因此擴(kuò)大有限溫度的理論研究工具范圍是一個(gè)非常熱門(mén)的問(wèn)題。一組俄羅斯物理學(xué)家通過(guò)證明有限溫度下的絕熱定理并確定絕熱動(dòng)力學(xué)的定量條件，朝這個(gè)方向邁出了重要的一步。他們的發(fā)現(xiàn)將引起下一代量子設(shè)備開(kāi)發(fā)人員的極大興趣，這些設(shè)備需要微調(diào)涉及數(shù)百或數(shù)千個(gè)元素的量子疊加特性。這項(xiàng)研究得到了俄羅斯科學(xué)基金會(huì) (RSF) 的支持補(bǔ)助金被發(fā)表在Physical Review A.

量子效應(yīng)可以幫助設(shè)計(jì)超高速計(jì)算機(jī)、超精密測(cè)量?jī)x器和完全安全的通信，這些通信通常需要非常特殊的環(huán)境才能正常運(yùn)行。量子實(shí)驗(yàn)最舒適的溫度是絕對(duì)零，即-273.15攝氏度。同時(shí)，量子疊加原理允許一些不可思議的事情，比如著名的薛定諤貓可以同時(shí)死和活，可以發(fā)揮它的全部力量。此外，絕對(duì)零使量子過(guò)程的理論描述更容易一些，為物理學(xué)家和工程師提供了有助于預(yù)測(cè)量子實(shí)驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)量子設(shè)備的嚴(yán)格命題。

“熱力學(xué)第三定律指出絕對(duì)零是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，只是一種有用的抽象。在現(xiàn)實(shí)生活中，溫度總是有限的，并且能夠破壞底層脆弱的量子疊加，因此在有限溫度下控制精細(xì)過(guò)程是量子技術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)，”物理學(xué)和數(shù)學(xué)博士、高級(jí)研究人員 Oleg Lychkovskiy 說(shuō)。斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所 (Skoltech)、莫斯科物理技術(shù)研究所 (MIPT) 和斯泰克洛夫 RAS 數(shù)學(xué)研究所的科學(xué)家。

量子系統(tǒng)的狀態(tài)由復(fù)雜的數(shù)學(xué)對(duì)象定義，即所謂的密度算子。如果系統(tǒng)的外部控制參數(shù)(例如電場(chǎng)或磁場(chǎng))隨時(shí)間變化，則操作員也會(huì)發(fā)生變化。這種進(jìn)化的復(fù)雜性是量子計(jì)算機(jī)巨大潛力的核心，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力，即使對(duì)于僅包含數(shù)百個(gè)量子位的系統(tǒng)也是如此。然而，我們應(yīng)該學(xué)會(huì)“馴服”這種復(fù)雜性，以便能夠創(chuàng)建新一代量子計(jì)算機(jī)和其他量子設(shè)備。依賴絕熱演化(物理學(xué)中的基本概念之一)的一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的想法是，通過(guò)以平滑的方式改變外部參數(shù)，可以使量子態(tài)在某種程度上更具可預(yù)測(cè)性。

絕熱定理是量子力學(xué)的一項(xiàng)基本成就，由 Max Born 和 Vladimir Fock 在量子力學(xué)誕生之初首次提出。該定理確保，如果外部參數(shù)變化足夠慢，演化的量子態(tài)始終保持接近所謂的瞬時(shí)本征態(tài)。從某種意義上說(shuō)，絕熱進(jìn)化就像帶一班一年級(jí)學(xué)生參觀博物館：你應(yīng)該小心地帶領(lǐng)你的班級(jí)，而不是匆忙，以確保在參觀結(jié)束時(shí)沒(méi)有人失蹤，所有展品都在完整。

盡管自玻恩和福克時(shí)代以來(lái)，絕熱定理得到了改進(jìn)和改進(jìn)，但其主要局限性在于它僅適用于所謂的純態(tài)，而不適用于所有量子態(tài)。這意味著它只能應(yīng)用于絕對(duì)為零的系統(tǒng)，而不能應(yīng)用于有限溫度的系統(tǒng)。在我們的博物館示例中，只有當(dāng)班級(jí)由表現(xiàn)良好的全 A 學(xué)生組成時(shí)，參觀才能順利進(jìn)行，而這在現(xiàn)實(shí)生活中幾乎是不可能的。正如沒(méi)有頑皮的孩子就沒(méi)有課堂一樣，也不可能有嚴(yán)格的零溫度。

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