用哈密頓量描述的晶格費米子系統(14)。哈密頓量的時變部分ΔHt只作用於晶格中間的兩個位置。來源:DOI: 10.1103 / PhysRevA.104.L030202
絕對零度——量子實驗和量子計算最合適的溫度——使得依靠一組基本命題來描述一個系統變得更容易。其中一個是量子絕熱定理，它保證了在外部引數變化足夠平穩的情況下，量子系統的動力學會變得更加簡單。由於絕對零度在物理上是不可達到的，因此擴大有限溫度的理論研究工具的範圍是一個高度熱門的問題。一個俄羅斯物理學家小組透過證明有限溫度下的絕熱定理和確定絕熱動力學的定量條件，在這個方向上邁出了重要的一步。他們的發現將對下一代量子裝置的開發人員產生極大的興趣，這些裝置需要對涉及數百或數千個元素的量子疊加的特性進行微調。這項研究發表在《物理評論A》上。
量子效應可以幫助設計超高速的計算機、超精確的測量儀器和完全安全的通訊，這些通訊通常需要非常特殊的環境才能正常執行。對於量子實驗來說，最舒適的溫度是絕對零度，即-273.15攝氏度。與此同時，量子疊加原理可以允許一些不可思議的事情，比如著名的Schrödinger的貓，它可以同時死和活，可以發揮它的全部力量。此外，絕對零度使量子過程的理論描述更容易一些，為物理學家和工程師提供了嚴格的命題，幫助預測量子實驗的結果和設計量子裝置。
熱力學第三定律指出，絕對零度是無法達到的，這只是一個有用的抽象概念。在現實生活中，溫度總是有限的，能夠破壞潛在的脆弱的量子疊加，所以在有限的溫度下控制精細過程是量子技術的關鍵目標。”Oleg Lychkovskiy是斯科爾科沃科學技術研究所(Skoltech)、莫斯科物理與技術研究所(MIPT)和RAS斯特克洛夫數學研究所的高階研究科學家，物理學和數學博士。
量子系統的狀態是由一個複雜的數學物件定義的，也就是所謂的密度算符。如果系統的外部控制引數(如電場或磁場)隨時間而變化，那麼操作員也會隨之變化。作為量子計算機巨大潛力核心的這種進化的複雜性，遠遠超出了現代超級計算機的能力，即使對於只有數百個量子位元的系統也是如此。然而，我們應該學會“馴服”這種複雜性，以便能夠創造新一代量子計算機和其他量子裝置。一個相當簡單的想法依賴於絕熱演化，這是物理學的基本概念之一，即量子態可以透過平滑地改變外部引數，在某種程度上更容易預測。
絕熱定理是量子力學的一個基本成就，是由馬克斯·伯恩和弗拉迪米爾·福克在量子力學誕生之初首次提出的。該定理確保，如果外部引數變化足夠緩慢，演化的量子態始終保持與所謂的瞬時本徵態相近。從某種意義上說，絕熱進化就像帶一年級學生參觀博物館:你應該認真地帶領全班同學，不要著急，確保參觀結束時沒有人失蹤，所有的展品都完好無損。
儘管絕熱定理自伯恩和福克的時代以來已經得到了完善和改進，但它的主要侷限性是，它只適用於所謂的純態，而不是所有的量子態。這意味著它只能應用於絕對零度下的系統，而不能應用於有限溫度下的系統。在我們博物館的例子中，只有當班級裡的學生都是表現良好的優等生時，參觀活動才能順利進行，這在現實生活中是不可能的。就像沒有調皮的孩子就沒有課堂一樣，也沒有嚴格的零度。
來自Skoltech, Steklov Mathematical Institute of RAS和MIPT的研究人員將絕熱定理擴充套件到有限溫度系統，並獲得了定量條件，以確保給定精度的絕熱演化。為了說明問題，該團隊將這些條件應用於幾個模型系統，並發現在某些系統中，絕熱動力學在有限溫度下甚至比在絕對零度下更穩定。
該團隊的發現有助於收集量子科學家和工程師使用的理論研究工具。對於製備具有特定性質的量子態，有相當廣泛的絕熱協議。
“完全基於絕熱定理的絕熱量子計算機可能是最流行的例子。加拿大的D-Wave系統公司目前正在研究這種裝置。此外，絕熱製備量子態是其他量子設計的初始或輔助步驟，以及模擬和測量。我們的發現將有助於為絕熱協議選擇最佳的工作模式，同時考慮到量子器件在有限的溫度下工作，”Lychkovskiy總結道。
