近日，精密測(cè)量院馮芒研究團(tuán)隊(duì)與鄭州大學(xué)、廣州工業(yè)技術(shù)研究院、河南大學(xué)等單位合作，利用超冷⁴⁰Ca⁺離子所構(gòu)造的量子模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了“遠(yuǎn)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“這一全新的量子熱力學(xué)特性，研究成果發(fā)表在物理專業(yè)的頂尖期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。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(duì)于優(yōu)化量子測(cè)量、量子態(tài)制備和量子信息讀取，甚至加快量子計(jì)算的速度等量子技術(shù)都有著重要意義，被編輯部作為亮點(diǎn)論文同時(shí)推選為“編輯推薦“ （Editors’ Suggestion）和“特色物理”（Featured in Physics）。美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）也在其網(wǎng)站Physics上以 “變化的速度極限”為題作為新聞焦點(diǎn)（Focus）報(bào)道和評(píng)述了此項(xiàng)工作。

　　運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)來模擬現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)過程是目前科技界和工業(yè)界廣泛采用的方法。例如，飛機(jī)和汽車性能的測(cè)試、核爆炸試驗(yàn)都可以在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行。但是，當(dāng)使用這些超級(jí)計(jì)算機(jī)來研究微觀世界的量子過程時(shí)，原來強(qiáng)大的計(jì)算能力馬上就變得捉襟見肘。目前人類最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)也只能計(jì)算30多個(gè)量子比特所構(gòu)成的系統(tǒng)。著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在上世紀(jì)70 年代就意識(shí)到這方面的困難，并想出了“創(chuàng)造一個(gè)人工量子力學(xué)系統(tǒng)來模擬真實(shí)的量子過程”的解決方案，稱作量子模擬。一個(gè)量子模擬器其實(shí)就是一臺(tái)簡(jiǎn)約版的量子計(jì)算機(jī)。

　　長(zhǎng)期以來，能否進(jìn)一步加快量子體系的操控速度不僅是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，而且也是一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)的前沿問題。實(shí)際的量子操控不可避免地受到環(huán)境的影響。由此帶來的噪聲會(huì)影響量子操控的保真度，但另一方面，這種影響在量子操控、量子初態(tài)制備等方面能起到積極的作用。因此，快速操控真實(shí)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(xiàng)理論研究將以上問題抽象為一個(gè)非平衡熱力學(xué)問題，得到了一個(gè)普適的不等式關(guān)系（稱為“耗散-時(shí)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(huì)受限于熵的流動(dòng)速率。由于這一限制條件也適用于量子系統(tǒng)，因此這不僅是對(duì)量子力學(xué)基本理論的深入認(rèn)識(shí)，而且也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過程相關(guān)聯(lián)。

　　在本項(xiàng)工作中，研究人員聯(lián)手，運(yùn)用離子阱量子操控技術(shù)檢驗(yàn)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。馮芒研究團(tuán)隊(duì)一直在發(fā)展基于⁴⁰Ca⁺離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，旨在發(fā)展量子精密測(cè)量應(yīng)用技術(shù)和利用量子模擬探索量子世界的未知領(lǐng)域。研究人員基于由單個(gè)超冷40Ca+離子構(gòu)造的量子模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精巧地設(shè)計(jì)了四個(gè)獨(dú)立可控的耗散通道，每個(gè)通道可以獨(dú)立地開關(guān)，熱力學(xué)過程的速度可以精準(zhǔn)地操控；同時(shí)，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(gè)熱力學(xué)過程的細(xì)節(jié)可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值處理而精確地呈現(xiàn)出來，由此完全滿足了模擬一個(gè)可控的量子非平衡熱力學(xué)過程的物理?xiàng)l件。經(jīng)過針對(duì)不同參數(shù)條件的多次實(shí)驗(yàn)，反復(fù)對(duì)比測(cè)量的結(jié)果，研究人員最終確認(rèn)了“耗散-時(shí)間不確定性關(guān)系”在量子體系中完全成立。

　　該研究工作有助于理解真實(shí)的量子操控的速度限制，進(jìn)一步優(yōu)化量子測(cè)量、操控和量子信息讀取等涉及非平衡熱力學(xué)過程的量子技術(shù)，同時(shí)也再次證明了熱力學(xué)在真實(shí)的量子過程中所具有的意想不到的作用。尤為重要的是，該項(xiàng)工作展示了單個(gè)離子構(gòu)成的量子模擬器就能精確可信地模擬難以真實(shí)觀察到的量子非平衡熱力學(xué)過程，這再一次表明量子技術(shù)的巨大潛力和作為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)的未來前景。

　　馮芒研究團(tuán)隊(duì)在2018年曾利用該量子模擬平臺(tái)驗(yàn)證了蘭道爾原理（信息學(xué)界的重要原理之一）在量子領(lǐng)域的適用性，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明量子永動(dòng)機(jī)不可能存在；而且表明，雖然量子技術(shù)有助于信息處理，但在節(jié)能方面并無優(yōu)勢(shì)。這次的工作再一次與量子技術(shù)的能耗相關(guān)，證明量子信息讀取的快慢將取決于體系的熵的變化， 這為提升精密測(cè)量技術(shù)和量子操控效率所需的能耗提供了原理性的解釋。

　　該研究得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃重大專項(xiàng)項(xiàng)目的資助。

　　基于⁴⁰Ca⁺離子的量子模擬器上展現(xiàn)的四種不同的熱力學(xué)耗散通道

左圖和右圖各為兩種通道，每個(gè)通道可以獨(dú)立地開關(guān)，熱力學(xué)過程的速度可以精準(zhǔn)地操控，整個(gè)熱力學(xué)過程的細(xì)節(jié)可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值處理而精確地呈現(xiàn)出來

　⁴⁰Ca⁺離子的量子模擬器所展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

虛線為不確定性關(guān)系的下限，所有測(cè)量的四個(gè)通道的數(shù)據(jù)點(diǎn)（以四種顏色標(biāo)記）都在虛線之上，表明耗散-時(shí)間不確定性關(guān)系成立

　　論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603

　　美國(guó)物理學(xué)會(huì)新聞焦點(diǎn)鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/17