日常生活中，我们常关心如何最快地到达某个地方，这类以“最快”为目标的问题在科学研究中被称为“时间最优”问题。对时间最优问题的研究始于300多年前约翰·伯努利提出的最速降线问题。量子版本的时间最优问题则关心如何将量子系统在最短时间内驱动到目标状态，即实现时间最优的量子控制。

随着量子信息科学等领域的发展，时间最优量子控制引起了广泛关注，并取得了一系列的理论研究成果。2007年，量子最速降线方程被提出，为一大类的时间最优量子控制问题提供了理论框架。2015年，美国MIT的Seth Lloyd教授组针对多比特量子系统发展了有效求解量子最速降线方程的数值方法。然而，国际上时间最优量子控制的实验研究还只局限于单量子比特系统。

量子控制是现代量子科学的基础，在量子计算、量子精密测量等领域具有重要意义。

近日，中国科学技术大学杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室在量子控制研究领域取得重要进展：该实验室的荣星和耿建培等在固态自旋体系中实现时间最优量子控制，研究成果发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上。美国物理学会网站Physics Synopsis栏目将该成果作为亮点报道。

中科院微观磁共振重点实验室一直致力于精确量子控制的实验研究，他们在2014年实现了精度高达0.996的单比特量子操作；随后实现了达到容错量子计算要求的普适量子逻辑门，其中的单比特操作精度达到0.999952，两比特操作精度达到0.992。在此基础上，他们进一步考虑如何以最快的方式实现精确量子控制。

杜江峰团队与理论合作者王晓霆博士，将求解时间最优控制问题的理论方法与具体的量子物理体系相结合，发展了实现普适量子控制的时间最优控制方法，并在金刚石NV色心体系上实验实现。研究结果表明，无论是单比特还是两比特量子操作，不仅操作精度高达99%，而且操作时间比常规实现方法显著缩短。这项研究工作证实了以时间最优的方式实现精确量子控制的可行性，为多比特量子体系的时间最优控制奠定了基础。这意味着未来量子计算可以在单位时间内实现更多的高精度量子逻辑门，因而具有重要的应用前景。

文章链接：

Jianpei Geng, et al, "Experimental Time-Optimal Universal Control of Spin Qubits in Solids," Phys. Rev. Lett. 117, 170501

荣星简介：

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室研究员，Email：xrong@ustc.edu.cn

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研究方向：基于电子自旋的量子计算：电子自旋量子比特的精确操控及应用；脉冲顺磁共振谱学，设备研发及应用。

（本文信息来源：中国科学技术大学；由e科网整理编辑）

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