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⁺離子所構造的量子模擬實(shí)驗平臺，設計并實(shí)驗展現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(zhuān)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(wèn)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(zhù)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）報道和評述了此項工作。

　　運用超級計算機來(lái)模擬現實(shí)世界的真實(shí)過(guò)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(chē)性能的測試、核爆炸試驗都可以在超級計算機上模擬進(jìn)行。但是，當使用這些超級計算機來(lái)研究微觀(guān)世界的量子過(guò)程時(shí)，原來(lái)強大的計算能力馬上就變得捉襟見(jiàn)肘。目前人類(lèi)最強大的計算機也只能計算30多個(gè)量子比特所構成的系統。著(zhù)名物理學(xué)家理查德·費曼在上世紀70 年代就意識到這方面的困難，并想出了“創(chuàng )造一個(gè)人工量子力學(xué)系統來(lái)模擬真實(shí)的量子過(guò)程”的解決方案，稱(chēng)作量子模擬。一個(gè)量子模擬器其實(shí)就是一臺簡(jiǎn)約版的量子計算機。

　　長(cháng)期以來(lái)，能否進(jìn)一步加快量子體系的操控速度不僅是一項技術(shù)挑戰，而且也是一個(gè)基礎科學(xué)的前沿問(wèn)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(lái)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(chēng)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。由于這一限制條件也適用于量子系統，因此這不僅是對量子力學(xué)基本理論的深入認識，而且也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過(guò)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)檢驗了以上理論結論。離子阱系統以孤立干凈、精準可控而著(zhù)稱(chēng)，是目前最有希望展現量子技術(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+離子構造的量子模擬實(shí)驗平臺，精巧地設計了四個(gè)獨立可控的耗散通道，每個(gè)通道可以獨立地開(kāi)關(guān)，熱力學(xué)過(guò)程的速度可以精準地操控；同時(shí)，研究人員還自主發(fā)展了一套數據后處理的理論方法，使整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的細節可以通過(guò)實(shí)驗測量和數值處理而精確地呈現出來(lái)，由此完全滿(mǎn)足了模擬一個(gè)可控的量子非平衡熱力學(xué)過(guò)程的物理條件。經(jīng)過(guò)針對不同參數條件的多次實(shí)驗，反復對比測量的結果，研究人員最終確認了“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)化量子測量、操控和量子信息讀取等涉及非平衡熱力學(xué)過(guò)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(guò)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(gè)離子構成的量子模擬器就能精確可信地模擬難以真實(shí)觀(guān)察到的量子非平衡熱力學(xué)過(guò)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(lái)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(shí)驗數據表明量子永動(dòng)機不可能存在；而且表明，雖然量子技術(shù)有助于信息處理，但在節能方面并無(wú)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(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目和廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專(zhuān)項項目的資助。

　　基于⁴⁰Ca⁺離子的量子模擬器上展現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)通道可以獨立地開(kāi)關(guān)，熱力學(xué)過(guò)程的速度可以精準地操控，整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的細節可以通過(guò)實(shí)驗測量和數值處理而精確地呈現出來(lái)

　⁴⁰Ca⁺離子的量子模擬器所展現的實(shí)驗結果

虛線(xiàn)為不確定性關(guān)系的下限，所有測量的四個(gè)通道的數據點(diǎn)（以四種顏色標記）都在虛線(xiàn)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

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