속도 제한은 양자 세계에도 적용됩니다.

특별한 규칙이있는 가장 작은 입자의 세계에서도 모든 것이 무한히 빨라질 수는 없습니다. 본 대학의 물리학 자들은 복잡한 양자 연산에 대한 속도 제한이 무엇인지 보여주었습니다.

매사추세츠 공과 대학, 함부르크, 쾰른, 파도바 대학, 줄 리치 연구소의 과학자들도이 연구에 참여했습니다. 얻은 결과는 특히 양자 컴퓨터 구현에 중요합니다. 그들은 Physical Review X 저널에 게재되고 미국 물리학 회의 Physics 저널에 게재됩니다.

섣달 그믐 날 자정 몇 분 전에 샴페인 잔을 제공해야하는 웨이터를보고 있다고 가정 해 보겠습니다. 그는 손님에서 손님에게 최고 속도로 돌진합니다. 수년에 걸쳐 연마 된 그의 기술 덕분에 그는 귀중한 액체 한 방울도 흘리지 않습니다.

약간의 트릭이 그에게 도움이됩니다. 웨이터가 걸음 속도를 높이는 동안 그는 샴페인이 잔에서 쏟아지지 않도록 트레이를 약간 기울입니다. 테이블의 중간 쯤에 테이블을 반대 방향으로 기울이고 속도를 늦 춥니 다. 그가 완전히 멈출 때만 그는 그를 다시 똑바로 세웁니다.

원자는 샴페인과 다소 비슷합니다. 그것들은 당구 공처럼 행동하지 않고 오히려 액체처럼 행동하는 물질의 파동으로 묘사 될 수 있습니다. 따라서 원자를 가능한 한 빨리 한 장소에서 다른 장소로 옮기고 싶은 사람은 새해 전날 웨이터만큼 능숙해야합니다.

그리고이 수송이 초과 할 수없는 속도 제한이 있습니다.”라고 Bonn 대학의 응용 물리학 연구소에서 연구를 이끌었던 Andrea Alberti 박사는 설명합니다.

그들의 연구에서 과학자들은이 한계가 정확히 어디에 있는지 실험적으로 연구했습니다. 그들은 샴페인 대신 세슘 원자를 사용하고 서로에 완벽하게 겹쳐진 두 개의 레이저 빔을 사용했지만 쟁반처럼 서로를 향했습니다. 물리학 자들에 의해 간섭이라고 불리는이 중첩은 빛의 정상파, 즉 처음에는 움직이지 않는 일련의 봉우리와 계곡을 만듭니다. 우리는이 홈통 중 하나에 원자를 넣은 다음 정상파를 작동 시켰습니다. 이것은 홈통 자체의 위치를 ​​대체했다고 Andrea Alberti는 말합니다. -우리의 목표는 원자를 캐비티 밖으로 튀기지 않고 가능한 가장 짧은 시간에 올바른 위치로 전달하는 것이 었습니다.

소우주에 속도 제한이 있다는 사실은 이미 이론적으로 두 명의 소련 물리학자인 Leonid Mandelstam과 Igor Tamm이 60 년 전에 증명했습니다. 그들은 양자 과정의 최대 속도가 에너지 불확실성, 즉 가능한 에너지 상태와 관련하여 조작 된 입자가 얼마나 "자유로운 지"에 달려 있음을 보여주었습니다. 에너지 자유도가 높을수록 더 빠릅니다.

예를 들어, 원자 이동의 경우, 세슘 원자가 떨어지는 공동이 더 깊을수록 양자 상태의 에너지가 더 많이 흩어지고 궁극적으로 원자가 더 빨리 전달 될 수 있습니다. 웨이터의 예에서도 비슷한 것을 볼 수 있습니다. 안경을 반만 채우면 속도를 높이고 속도를 늦출 때 샴페인이 쏟아 질 위험이 적습니다. 그러나 입자의 에너지 자유도는 임의로 증가 할 수 없습니다. 우리는 우울증을 무한히 깊숙이 만들 수 없습니다. 너무 많은 에너지를 소비하게 될 것입니다.

Mandelstam과 Tamm의 속도 제한은 근본적인 제한입니다. 그러나 이는 특정 상황, 즉 두 개의 양자 상태가있는 시스템에서만 달성 할 수 있습니다.

예를 들어 우리의 경우 출발지와 목적지가 서로 매우 가까울 때 이런 일이 발생한다고 물리학자는 설명합니다. -그런 다음 두 위치에서 원자의 물질의 파동이 서로 겹쳐지고 원자는 한 번에 즉, 중간 중지없이 목적지로 직접 전달할 수 있습니다. 거의 Star에서 우주선 Enterprise에서 순간 이동 여행.

그러나 본 실험에서와 같이 거리가 수십 파장의 물질로 증가하면 상황이 다릅니다. 이러한 거리에서는 직접 순간 이동이 불가능합니다. 대신 입자는 최종 목적지에 도달하기 위해 여러 중간 상태를 거쳐야합니다. 2 단계 시스템은 다중 수준 시스템이됩니다.

이 연구는 두 소련 물리학자가 예측 한 것보다 더 낮은 비율 한계가 그러한 과정에 적용될 수 있음을 보여줍니다. 이는 에너지 불확실성뿐만 아니라 중간 국가의 수에 의해서도 결정됩니다. 따라서 작업은 복잡한 양자 프로세스와 그 한계에 대한 이론적 이해를 향상시킵니다.

물리학 자들의 발견은 양자 컴퓨팅에있어 중요합니다. 양자 컴퓨터로 가능한 계산은 주로 계층화 된 시스템의 조작을 기반으로합니다. 그러나 양자 상태는 매우 취약합니다. 그들은 물리학 자들이 일관성 시간이라고 부르는 짧은 시간 동안 만 지속됩니다.

따라서이 시점에서 가능한 한 많은 계산 작업을 압축하는 것이 중요합니다. 우리의 연구는 일관성 시간 동안 수행 할 수있는 최대 작업 수를 보여줍니다. Andrea Alberti는 설명합니다. 이를 통해 최적으로 사용할 수 있습니다.