近日，精密測量院馮芒研究團隊與鄭州大學(xué)、長(cháng)春應用化學(xué)所、美國紐約州立大學(xué)石溪分校等單位合作，基于超冷離子量子精密測量平臺，實(shí)驗證實(shí)了滿(mǎn)足廣義熱力學(xué)第二定律的新漲落定理。研究成果8月29日發(fā)表在國際知名物理學(xué)期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

隨著(zhù)操控納米尺度小系統能力的增強，人們希望用更少的能量實(shí)現更有效的信息處理。然而，由于熱力學(xué)第二定律的限制以及麥克斯韋妖的引入，受控的能量消耗和能量利用效率往往難以準確分析。在能量轉換和信息處理的過(guò)程中，總會(huì )有一定的能量以熱或熵的形式從系統散失到環(huán)境中，這稱(chēng)為熵產(chǎn)生。熵產(chǎn)生應該是非負的，但在微觀(guān)尺度上系統的變量總在波動(dòng)，因而熵產(chǎn)生具有隨機性，導致有可能違反熱力學(xué)第二定律。不過(guò)，近年來(lái)提出的漲落定理揭示出熵產(chǎn)生的平均值總是滿(mǎn)足熱力學(xué)第二定律，這被稱(chēng)為廣義熱力學(xué)第二定律。

1871年英國物理學(xué)家麥克斯韋為了探討熱力學(xué)第二定律的有效性，引入了一個(gè)假想的智慧生物-麥克斯韋妖（Maxwell’s demon）用于測量和控制單個(gè)分子的運動(dòng)，最終能導致熱力學(xué)第二定律的失效。破解這個(gè)異?，F象的是美國物理學(xué)家西拉德，他在上世紀三十年代建立了一個(gè)名叫西拉德引擎（Szilard engine）的理論模型，指出麥克斯韋妖是通過(guò)提取分子的信息來(lái)減少系統的熵，從而打破了熱力學(xué)第二定律的限制。西拉德引擎揭示了信息熵與熱力學(xué)之間的深刻關(guān)系，改變了人們對傳統熱力學(xué)定律的理解，對計算機科學(xué)和物理學(xué)交叉領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠的影響。最近一個(gè)新提出的漲落定理預測，在微尺度的西拉德引擎系統中，基于廣義熱力學(xué)第二定律，麥克斯韋妖操控引起的非平衡過(guò)程會(huì )導致一部分信息以熱量的形式消散到環(huán)境中，這部分信息被稱(chēng)為耗散信息，信息的耗散使得系統實(shí)際獲得的功減少。因此，在相關(guān)研究中有必要認真考慮這種耗散信息及其造成的影響。

（a）麥克斯韋妖調控的西拉德引擎控制協(xié)議；

（b）囚禁離子的實(shí)驗方案原理圖；

（c）新漲落理論的實(shí)驗觀(guān)測結果

研究團隊精心設計了由麥克斯韋妖調控的西拉德引擎實(shí)驗方案，并在精密測量院的超冷離子實(shí)驗體系中完成了該實(shí)驗工作?；诔潆x子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，研究人員首先在實(shí)驗上確認了由于麥克斯韋妖的介入所帶來(lái)的系統內稟的非平衡特性，然后，通過(guò)精準測量系統的信息耗散在實(shí)驗上證實(shí)了這個(gè)新的漲落定理。同時(shí)，研究人員還檢驗了一系列相關(guān)的熱力學(xué)不等式，觀(guān)測到比以前理論預言的提取功下界更加緊致的下界。該研究成果建立了信息的物理性質(zhì)與微觀(guān)體系的非平衡過(guò)程之間更為密切的聯(lián)系，有助于深入理解信息的熱力學(xué)特征，并應用于優(yōu)化納米級和更小系統的設計。該研究也為理解量子信息處理中麥克斯韋妖所帶來(lái)的影響提供了新的思路。

該研究以“Experimental Verification of Demon-Involved Fluctuation Theorems” 為題發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。精密測量院博士生卜錦濤是論文的共同第一作者，論文的通訊作者包括馮芒研究員、汪勁教授和周飛副研究員。

該研究得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.090402