量子跃迁达到了速度极限

莱斯大学的物理学家们对量子信息的速度设定了精确得多的限制

但是，莱斯大学的物理学家们发现了一种新的演绎速度限制的方法，这种方法比以前的方法更好——在某些情况下，要好得多。

凯正义前锋

最大的问题是，信息、质量、能量在自然界中的运动速度能有多快?美国赖斯大学的理论量子物理学家哈扎德(Kaden Hazzard)说，”。事实证明，如果有人递给你一种材料，一般来说，要回答这个问题是非常困难的

在今天发表在美国物理学会期刊《PRX量子》上的一项研究中，哈扎德和莱斯大学的研究生王志远描述了一种计算量子物质速度上限的新方法。

物理学和天文学助理教授、莱斯量子材料中心成员Hazzard说:“从基础层面上说，这些界限比以前的要好得多。”“这种方法经常会产生10倍精度的边界，而it’的精确度是100倍也不是什么不寻常的事情。在某些情况下，改进是如此显著，以至于我们发现有限的速度限制，而以前的方法预测无限的速度限制

自然界的终极速度限制是光速，但是在我们周围的几乎所有物质中，能量和信息的速度要慢得多。通常，如果不考虑量子效应的巨大作用，就不可能描述这种速度。

志远王

在20世纪70年代，物理学家证明了信息在量子材料中必须比光速慢得多，尽管他们无法计算出光速的精确解，物理学家Elliott Lieb和Derek Robinson开创了计算光速上界的数学方法。

Hazzard说:“意思是，即使我不能确切地告诉你最高速度，我能告诉你最高速度一定小于某个特定的值吗?”如果我能100%保证真实值小于上界，那就非常有用了

Hazzard说，物理学家早就知道利布-罗宾逊方法得出的一些边界是“，荒谬地不精确

他说:“如果以每小时0.01英里的实际速度测量，那么就可以说信息在一种物质中的移动速度必须小于每小时100英里。”it’这没有错，但是没有用

在PRX量子论文中描述的更精确的边界是由Wang创建的方法计算出来的。

Wang-Hazzard交换性图捕捉了物理学家通常用来描述量子系统能量的数学函数的微观细节，将量子速度极限的计算简化为一个只有两个输入的方程。(图片由王志远/莱斯大学提供)

“我们发明了一种新的图形工具，使我们能够解释材料中的微观相互作用，而不是仅仅依赖于它的晶格结构等更粗糙的特性。”

哈泽德说，王是一名三年级的研究生，他有一种令人难以置信的天赋，能将数学关系综合起来，并用新的术语重新表述。

哈泽德说:“当我检查他的计算时，我可以一步一步地翻阅这些计算结果，看看它们是否正确。”但是，要想真正弄清楚从A点到B点该采取什么步骤，每一步都有各种各样的方法可以尝试，其创造性对我来说简直是不可思议

Wang-Hazzard方法可以应用于任何由在离散晶格中运动的粒子组成的材料。这包括经常被研究的量子材料，如高温超导体、拓扑材料、重费米子等。在每一种情况下，材料的行为都来自于数以亿计的粒子的相互作用，其复杂性是无法直接计算的。

Hazzard说，他希望新方法能在几个方面得到应用。

他说:“除了这一基本性质之外，它还有助于理解量子计算机的性能，特别是理解它们解决材料和化学方面的重要问题需要多长时间。”

Hazzard说，他确信该方法也将被用于开发数值算法，因为Wang已经证明，它可以为经常使用的近似大系统行为的数值技术所产生的误差设定严格的界限。

赖斯理论物理学家卡登·哈扎德与学生王致远(左)和伊恩·怀特(右)。(Jeff Fitlow/莱斯大学)

60多年来，物理学家们一直使用的一种流行技术是用计算机模拟的小系统来近似一个大系统。

Hazzard说:“我们在有限块的周围画一个小盒子，进行模拟，希望’足以近似这个巨大的系统。”但是在这些近似中没有一个严格的方法来限定误差

计算边界的Wang-Hazzard方法可能会导致这种结果。

数值算法的误差与信息传播的速度之间存在着内在的联系，” Wang解释说，他用他的声音和房间里的墙壁来说明这一联系。

有限的块有边缘，就像我的房间有墙一样。当我说话的时候，声音会被墙反射回来，反射到我身上。在一个无限大的系统中，没有边，所以也就没有回声

在数值算法中，误差在数学上相当于回波。它们从有限盒的边缘反射，反射破坏了算法模拟无限情况的能力。信息在有限系统中的移动越快，算法忠实地表示无限的时间就越短。

Hazzard说，他、王和他的研究小组的其他人正在使用他们的方法来制作有保证误差条的数值算法。

他说:“我们甚至不需要改变现有的算法来在计算中设置严格的、有保证的误差条。”“但是你也可以反过来用它来制作更好的数值算法。我们正在研究这个问题，其他人也有兴趣使用它

这项研究得到了韦尔奇基金会和国家科学基金会的支持。