科研人員首次在單自旋層面上精確檢驗信息熱力學等式

近日，中國科學院武漢物理與數學研究所馮芒研究團隊與上海交通大學教授麻志浩、英國牛津大學教授 V. Vedral 合作，利用超冷離子實驗平台，在單自旋層面上首次高精度地檢驗了非平衡動力學過程中的一個信息熱力學等式。相關研究成果發表在《物理評論快報》上，並作為重要研究成果入選編輯推薦論文（Editor』s Suggestion）。

在熱力學中，非平衡動力學過程是普遍存在的動力學時間演化過程。非平衡動力學過程極其複雜，其功能關係通常只能通過不等式來表達。1997年， Jarzynski 提出第一個簡單普適的等式關係，將非平衡過程中的物理量與體系的自由能變化相聯繫。牛津大學的 V. Vedra l將相關研究推廣至更為普適的情況，得到兩次測量之間互信息變化的普適信息理論等式。這個等式更適合在量子層次上研究熱力學過程，而且在初態為吉布斯態時自動約化為 Jarzynski 等式關係。

馮芒研究團隊在前期工作中已實現了超冷離子在電磁勢阱中的穩定束縛，突破了量子態精確操控的關鍵技術，包括任意量子態的製備，量子態時間演化的激光控制，激光相位調製和任意投影測量等。研究團隊經過分析信息理論等式在單量子比特實驗中實施的可能性，精心設計了一套可行的實驗驗證測量方案，在單自旋操作誤差不超過0.7%的基礎上，充分考慮了量子雜訊和經典雜訊對自旋的影響，最終首次在單自旋水平上精確驗證了非平衡動力學過程中的量子信息熱力學等式以及 Jarzynski 等式。研究團隊完成了該工作的探討和數據分析。

該項工作有助於理解熱力學在量子力學層面上的適用性，也將推動信息熱力學領域去深入探索量子世界的新物理。研究工作得到科技部國家重點研發計劃項目「基於原子、離子與光子的少體關聯精密測量」、中科院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金項目的資助。

實驗原理圖

純態下資訊理論等式和互信息總量的實驗測量值

來源：中國科學院武漢物理與數學研究所

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