除夕夜，你在餐廳見到一位忙碌的服務員。他必須在0點前的幾分鐘，把滿滿一托盤香檳酒杯端給餐廳裡的每一桌客人。他以最快的速度從一桌客人跑向另一桌客人，由於技術“高超”，竟然沒有灑出一滴酒。

事實上，這位經驗豐富的服務員之所以能做到這一點，是因為他使用了一些小技巧，比如他不是勻速跑動的，而是進行了一系列加速和減速來達到整體的最大速度。

或許你沒想到的是，原子在某些方面其實和香檳是類似的。原子可以被描述為物質波，它的行為其實不像檯球，反而更類似液體。因此，如果想盡快把原子從一個地方運送到另一個地方，而不丟失必要的資訊，必須像那位忙碌的服務員一樣嫻熟地掌握技巧。即便如此，這種傳送也有一個無法超過的速度極限。

近日，一組國際科研團隊嘗試變成了“端香檳的服務員”，不同的是，他們是在保證不干擾原子的量子態的情況下，在儘可能短的時間內移動了一個原子。研究透過實驗精確地探索了複雜量子操作的速度極限。

60多年前，蘇聯物理學家Leonid Mandelstam和Igor Tamm從理論上證明，微觀世界中存在速度的極限。他們發現，量子過程的最大速度取決於能量不確定性，也就是受操縱的粒子相對於其可能的能量狀態的“自由度”。粒子所擁有的能量自由度越高 ，量子過程的速度就可以越快。從服務員的例子中也可以看到類似的情況：如果服務生只把香檳裝得半滿，（雖然會惹怒顧客，）在他加速和減速的時候，香檳灑出的風險其實更小。

Mandelstam和Tamm的速度極限是一個基本限制。然而，人們只能在某些特定的情況下才能達到，就是在兩級量子系統，比如可以自旋向上或自旋向下的電子。

但是，一些量子技術則需要多級系統，也就是說，一個系統跨越多個量子態，粒子必須經過幾箇中間態，才能到達它最終的目的地。這些系統同樣應該具有速度極限，但在此之前尚未被預測或測量過。這也正是新研究期望探索的速度極限。

變身“服務員”的科學家在調整鐳射“托盤”。| 圖片來源：Volker Lannert/University of Bonn

在實驗中，研究人員透過用一個銫原子替代香檳而變身成為“服務員”。他們用兩束方向相反且互相疊加的鐳射束製造了一種光晶格阱，作為“托盤”。這種疊加被物理學家稱為干涉，它產生了一種光的駐波，也就是一系列最初不會移動的波峰和波谷。

團隊將原子“裝”入其中一個波谷中，然後使波開始運動，這就改變了波谷本身的位置，它就像放在傳送帶上的托盤一樣開始移動。實驗可以改變這個“傳送托盤”的速度，並使用測量技術對運動進行亞奈米級的跟蹤，目標是讓原子在儘可能短的時間內到達目標位置。

團隊採用了恆定速度和變速兩種方案，將原子傳輸到0.5微米的距離。他們發現，當移動的平均速度低於約每秒17毫米時，保真度非常好，換句話說，此時的初始狀態和最終狀態的相似度很高，資訊的丟失很少。但平均速度越高，保真度會隨之顯著降低。

這項研究表明，與兩位蘇聯物理學家的預測相比，這類複雜過程的速度極限更低。這一極限不僅取決於能量不確定性，還取決於中間態的數量。這一結果極大地提高了對複雜量子過程及其約束的理解。

物理學家Nora Tischler在接受《物理》雜誌採訪時表示，這項新發現令人信服地證明，當超越兩級系統的情況時，量子動力學的基本性質是如何發生變化的。

物理學家相信，這一發現對量子計算十分重要。量子計算機進行的計算大多是基於對多級系統的操作。不過，量子態非常脆弱，它們只會持續很短一小段時間，物理學家稱之為相干時間。因此，在這段時間內儘可能多地進行計算操作至關重要。研究揭示了在相干時間內可以執行的最大運算元，這就使得最佳化利用成為可能。

#創作團隊：

文字：方狄

圖片：Takeko、雯雯子

https://www.uni-bonn.de/news/049-2021