近日，中科院精密測量科學與技術創(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+離子所構造的量子模擬實驗平臺，設計并實驗展現(xiàn)了可控的量子非平衡熱力學過程，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特性。該成果不僅涉及量子力學和熱力學的基本問題，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問題，得到了一個普適的不等式關系(稱為“耗散—時間不確定性關系”)，表明任何非平衡熱力學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檢驗了以上理論結(jié)論。離子阱系統(tǒng)以孤立干凈、精準可控而著稱，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術優(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+離子的精密操控關鍵技術。
研究人員基于由單個超冷40Ca+離子構造的量子模擬實驗平臺，精巧地設計了四個獨立可控的耗散通道，每個通道可以獨立開關，熱力學過程的速度可以精準操控;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—時間不確定性關系”在量子體系中完全成立。(見習記者 荊淮僑)
營業(yè)執(zhí)照公示信息