中国科大在金刚石固态自旋体系实验揭示量子速度与功耗成本的最优权衡关系

中国科大郭光灿院士团队孙方稳课题组国际合作者，在量子信息领域取得重大突破 —— 首次基于 Schatten 2 - 范数理论，在金刚石固态自旋系统中实验验证了量子速度与能量成本的紧束缚权衡关系。这一发现不仅揭示了量子态动力学的核心限制，更为量子计算、量子传感的低能耗最优控制提供了关键支撑。相关成果于2025年11月28日以“Experimental investigation of the trade-off between quantum speed and energy cost”在线发表在国际物理学知名期刊《Npj 量子信息》（Npj Quantum Information）上。

量子信息处理（QIP）借助量子叠加和纠缠特性，在量子计算、安全通信、量子计量等领域具有独特优势，但量子操作的速度与能耗成本权衡问题一直是关键挑战。量子力学中的海森堡不确定原理给出了能量变化与时间之间的权衡关系，由此限制了量子态演化的最大速度。准确理解这种速度限制有助于实事求是地推动量子信息技术的应用。最近研究表明，现有的权衡关系不够紧密。主要存在的问题有：一、真实的演化速度无法达到理论上求得的量子速度极限。二、量子速度极限无法真实反映量子态本身的演化趋势，有时甚至是完全相悖的描述。

图1 基于 Schatten 范数的几何量子速度示意图

研究团队基于 Schatten 2 - 范数，理论提出并通过金刚石固态自旋体系系统实验验证了量子速度与能量成本率的最优权衡关系。研究在封闭量子系统中（无论初始为本征态还是热平衡态）证实，量子速度以能量成本率为紧束缚上界，纯态沿希尔伯特空间测地线演化时两者完全相等，且仅量子相干性对幺正动力学中的量子速度有贡献，热平衡态下该关系通过量子比特极化率因子简单修正保持，突破了传统模型的松散局限。将研究方法拓展至开放量子系统后，团队发现环境退相干会引入非相干量子速度分量，总量子速度可分解为相干分量与非相干分量的合成，且相干速度随退相干单调衰减，非相干速度呈现非单调特性。这些结果不仅厘清了量子速度、能量成本与量子相干性、环境退相干的内在关联，完善了量子态动力学的基础限制理论，还为量子传感、量子计算的低能耗时间最优控制提供了关键理论支撑与实践参考。

图2 a封闭量子系统的状态演化；b对应实际的量子速度-功耗权衡关系; c开放系统的量子速度-功耗权衡关系

本文第一作者为量子网络安徽省重点实验室董杨副研究员，通讯作者为孙方稳教授。该工作得到了科技创新2030重大项目、中国科学与稳定支持基础研究领域青年团队项目、国家自然科学基金、安徽省重点研发计划等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41534-025-01149-z