近日，精密測量院馮芒研究團隊與鄭州大學(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《物理評論快報》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量子技術(shù)都有著重要意義，被編輯部作為亮點論文同時推選為“編輯推薦“ （Editors’ Suggestion）和“特色物理”（Featured in Physics）。美國物理學(xué)會（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（Focus）報道和評述了此項工作。

　　運用超級計算機來模擬現(xiàn)實世界的真實過程是目前科技界和工業(yè)界廣泛采用的方法。例如，飛機和汽車性能的測試、核爆炸試驗都可以在超級計算機上模擬進行。但是，當(dāng)使用這些超級計算機來研究微觀世界的量子過程時，原來強大的計算能力馬上就變得捉襟見肘。目前人類最強大的計算機也只能計算30多個量子比特所構(gòu)成的系統(tǒng)。著名物理學(xué)家理查德·費曼在上世紀(jì)70 年代就意識到這方面的困難，并想出了“創(chuàng)造一個人工量子力學(xué)系統(tǒng)來模擬真實的量子過程”的解決方案，稱作量子模擬。一個量子模擬器其實就是一臺簡約版的量子計算機。

　　長期以來，能否進一步加快量子體系的操控速度不僅是一項技術(shù)挑戰(zhàn)，而且也是一個基礎(chǔ)科學(xué)的前沿問題。實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。由于這一限制條件也適用于量子系統(tǒng)，因此這不僅是對量子力學(xué)基本理論的深入認(rèn)識，而且也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過程相關(guān)聯(lián)。

　　在本項工作中，研究人員聯(lián)手，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。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)，旨在發(fā)展量子精密測量應(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，每個通道可以獨立地開關(guān)，熱力學(xué)過程的速度可以精準(zhǔn)地操控；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)值處理而精確地呈現(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(rèn)了“耗散-時間不確定性關(guān)系”在量子體系中完全成立。

　　該研究工作有助于理解真實的量子操控的速度限制，進一步優(yōu)化量子測量、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)，同時也再次證明了熱力學(xué)在真實的量子過程中所具有的意想不到的作用。尤為重要的是，該項工作展示了單個離子構(gòu)成的量子模擬器就能精確可信地模擬難以真實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顛覆性技術(shù)的未來前景。

　　馮芒研究團隊在2018年曾利用該量子模擬平臺驗證了蘭道爾原理（信息學(xué)界的重要原理之一）在量子領(lǐng)域的適用性，用實驗數(shù)據(jù)表明量子永動機不可能存在；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。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家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目和廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項項目的資助。

　　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，每個通道可以獨立地開關(guān)，熱力學(xué)過程的速度可以精準(zhǔn)地操控，整個熱力學(xué)過程的細節(jié)可以通過實驗測量和數(shù)值處理而精確地呈現(xiàn)出來

　⁴⁰Ca⁺離子的量子模擬器所展現(xiàn)的實驗結(jié)果

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

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

　　美國物理學(xué)會新聞焦點鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/17