近日，中科院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院(以下簡(jiǎn)稱精測(cè)院)研究團(tuán)隊(duì)與多個(gè)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(guò)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(wèn)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)算的速度等有重要意義。相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
長(zhǎng)期以來(lái)，能否進(jìn)一步加快量子體系的操控速度是一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)際的量子操控不可避免地受到環(huán)境影響，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(wèn)題抽象為一個(gè)非平衡熱力學(xué)問(wèn)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(guò)程中物理體系的演化速度都會(huì)受限于熵的流動(dòng)速率。
在本項(xiàng)工作中，研究人員運(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。精測(cè)院馮芒研究團(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)。
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)立開(kāi)關(guān)，熱力學(xué)過(guò)程的速度可以精準(zhǔn)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(guò)程的細(xì)節(jié)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值處理精確地呈現(xiàn)出來(lái)，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(guò)程的物理?xiàng)l件。經(jīng)過(guò)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。(見(jiàn)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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