近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子控制研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展：該實(shí)驗(yàn)室的榮星和耿建培等在固態(tài)自旋體系中實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)量子控制，研究成果發(fā)表在10月19日出版的《物理評論快報(bào)》上[Physical Review Letters 117, 170501 (2016)]。美國物理學(xué)會網(wǎng)站Physics Synopsis欄目將該成果作為亮點(diǎn)報(bào)道。 nP5fh_/  
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　　量子控制是現(xiàn)代量子科學(xué)的基礎(chǔ)，在量子計(jì)算、量子精密測量等領(lǐng)域具有重要意義。中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一直致力于精確量子控制的實(shí)驗(yàn)研究，他們在2014年實(shí)現(xiàn)了精度高達(dá)0.996的單比特量子操作[Physical Review Letters 112,050503(2014)]；隨后實(shí)現(xiàn)了達(dá)到容錯(cuò)量子計(jì)算要求的普適量子邏輯門，其中的單比特操作精度達(dá)到0.999952，兩比特操作精度達(dá)到0.992 [Nature Communications 6,8748(2015)]。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步考慮如何以最快的方式實(shí)現(xiàn)精確量子控制。 #E)]7!_XG  
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　　日常生活中，我們常關(guān)心如何最快地到達(dá)某個(gè)地方，這類以“最快”為目標(biāo)的問題在科學(xué)研究中被稱為“時(shí)間最優(yōu)”問題。對時(shí)間最優(yōu)問題的研究始于300多年前約翰·伯努利提出的最速降線問題。量子版本的時(shí)間最優(yōu)問題則關(guān)心如何將量子系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動到目標(biāo)狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)的量子控制。隨著量子信息科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，時(shí)間最優(yōu)量子控制引起了廣泛關(guān)注，并取得了一系列的理論研究成果。2007年，量子最速降線方程被提出，為一大類的時(shí)間最優(yōu)量子控制問題提供了理論框架。2015年，美國MIT教授Seth Lloyd組針對多比特量子系統(tǒng)發(fā)展了有效求解量子最速降線方程的數(shù)值方法。然而，國際上時(shí)間最優(yōu)量子控制的實(shí)驗(yàn)研究還只局限于單量子比特系統(tǒng)。 *&MkkI#  
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　　杜江峰團(tuán)隊(duì)與理論合作者王曉霆，將求解時(shí)間最優(yōu)控制問題的理論方法與具體的量子物理體系相結(jié)合，發(fā)展了實(shí)現(xiàn)普適量子控制的時(shí)間最優(yōu)控制方法，并在金剛石NV色心體系上實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果表明，無論是單比特還是兩比特量子操作，不僅操作精度高達(dá)99%，而且操作時(shí)間比常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法顯著縮短。這項(xiàng)研究工作證實(shí)了以時(shí)間最優(yōu)的方式實(shí)現(xiàn)精確量子控制的可行性，為多比特量子體系的時(shí)間最優(yōu)控制奠定了基礎(chǔ)。這意味著未來量子計(jì)算可以在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的高精度量子邏輯門，因而具有重要的應(yīng)用前景。
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    上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和教育部的支持。