近日，中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院(以下簡稱精測院)研究團隊與多個單位合作，利用超冷40Ca+離子所構(gòu)造的量子模擬實驗平臺，設(shè)計并實驗展現(xiàn)了可控的量子非平衡熱力學(xué)過程，在單原子層面上首次高精度地驗證了“遠離平衡狀態(tài)的量子體系的操控速度受制于體系的熵產(chǎn)生率”這一全新量子熱力學(xué)特性。該成果不僅涉及量子力學(xué)和熱力學(xué)的基本問題，而且對于優(yōu)化量子測量、量子態(tài)制備和量子信息讀取，甚至加快量子計算的速度等有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。
長期以來，能否進一步加快量子體系的操控速度是一個挑戰(zhàn)。實際的量子操控不可避免地受到環(huán)境影響，快速操控真實體系的量子態(tài)除了需要量子技術(shù)的提升，也要考慮其它非量子的因素。
2020年的一項理論研究將以上問題抽象為一個非平衡熱力學(xué)問題，得到了一個普適的不等式關(guān)系(稱為“耗散—時間不確定性關(guān)系”)，表明任何非平衡熱力學(xué)過程中物理體系的演化速度都會受限于熵的流動速率。
在本項工作中，研究人員運用離子阱量子操控技術(shù)檢驗了以上理論結(jié)論。離子阱系統(tǒng)以孤立干凈、精準(zhǔn)可控而著稱，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術(shù)優(yōu)越性的候選者之一。精測院馮芒研究團隊一直在發(fā)展基于40Ca+離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)。
研究人員基于由單個超冷40Ca+離子構(gòu)造的量子模擬實驗平臺，精巧地設(shè)計了四個獨立可控的耗散通道，每個通道可以獨立開關(guān)，熱力學(xué)過程的速度可以精準(zhǔn)操控;同時，研究人員還自主發(fā)展了一套數(shù)據(jù)后處理的理論方法，使整個熱力學(xué)過程的細節(jié)可以通過實驗測量和數(shù)值處理精確地呈現(xiàn)出來，由此完全滿足了模擬一個可控的量子非平衡熱力學(xué)過程的物理條件。經(jīng)過針對不同參數(shù)條件的多次實驗，反復(fù)對比測量的結(jié)果，研究人員最終確認了“耗散—時間不確定性關(guān)系”在量子體系中完全成立。(見習(xí)記者 荊淮僑)
關(guān)鍵詞： 量子體系 操控速度極限 非平衡熱力學(xué) 平衡狀態(tài)
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