近日，精密量測院馮芒研究團隊與鄭州大學、廣州工業技術研究院、河南大學等組織合作，利用超冷40Ca+離子所構造的量子模擬實驗平臺，設計並實驗展現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“遠離平衡狀態的量子體系的操控速度受制於體系的熵產生率“這一全新的量子熱力學特性，研究成果發表在物理專業的頂尖期刊《物理評論快報》上。該成果不僅涉及量子力學和熱力學的基本問題，而且對於優化量子量測、量子態製備和量子資訊讀取，甚至加快量子計算的速度等量子科技都有著重要意義，被編輯部作為亮點論文同時推選為“編輯推薦“（Editors’Suggestion）和“特色物理”（Featured in Physics）。美國物理學會（APS）也在其網站Physics上以“變化的速度極限”為題作為新聞焦點（Focus）報導和評述了此項工作。
運用超級電腦來類比現實世界的真實過程是現時科技界和工業界廣泛採用的方法。例如，飛機和汽車效能的測試、核爆炸試驗都可以在超級電腦上類比進行。但是，當使用這些超級電腦來研究微觀世界的量子過程時，原來强大的計算能力馬上就變得捉襟見肘。現時人類最强大的電腦也只能計算30多個量子比特所構成的系統。著名物理學家理查德·費曼在上世紀70年代就意識到這方面的困難，並想出了“創造一個人工量子力學系統來類比真實的量子過程”的解決方案，稱作量子類比。一個量子模擬器其實就是一臺簡約版的量子電腦。
長期以來，能否進一步加快量子體系的操控速度不僅是一項科技挑戰，而且也是一個基礎科學的前沿問題。實際的量子操控不可避免地受到環境的影響。由此帶來的雜訊會影響量子操控的保真度，但另一方面，這種影響在量子操控、量子初態製備等方面能起到積極的作用。囙此，快速操控真實體系的量子態除了需要量子科技的提升，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係（稱為“耗散-時間不確定性關係”），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於熵的流動速率。由於這一限制條件也適用於量子系統，囙此這不僅是對量子力學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過程相關聯。
在本項工作中，研究人員聯手，運用離子阱量子操控科技檢驗了以上理論結論。離子阱系統以孤立乾淨、精准可控而著稱，是現時最有希望展現量子科技優越性的候選者之一。馮芒研究團隊一直在發展基於40Ca+離子的精密操控關鍵技術，旨在發展量子精密量測應用科技和利用量子類比探索量子世界的未知領域。研究人員基於由單個超冷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，每個通道可以獨立地開關，熱力學過程的速度可以精准地操控；同時，研究人員還自主發展了一套數據後處理的理論方法，使整個熱力學過程的細節可以通過實驗量測和數值處理而精確地呈現出來，由此完全滿足了類比一個可控的量子非平衡熱力學過程的物理條件。經過針對不同參數條件的多次實驗，反復對比量測的結果，研究人員最終確認了“耗散-時間不確定性關係”在量子體系中完全成立。
該研究工作有助於理解真實的量子操控的速度限制，進一步優化量子量測、操控和量子資訊讀取等涉及非平衡熱力學過程的量子科技，同時也再次證明了熱力學在真實的量子過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離子構成的量子模擬器就能精確可信地類比難以真實觀察到的量子非平衡熱力學過程，這再一次表明量子科技的巨大潜力和作為一項顛覆性科技的未來前景。
馮芒研究團隊在2018年曾利用該量子類比平臺驗證了蘭道爾原理（資訊學界的重要原理之一）在量子領域的適用性，用實驗資料表明量子永動機不可能存在；而且表明，雖然量子科技有助於資訊處理，但在節能方面並無優勢。這次的工作再一次與量子科技的能耗相關，證明量子資訊讀取的快慢將取決於體系的熵的變化，這為提升精密量測科技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研發計畫項目、國家自然科學基金專案和廣東省重點領域研發計畫重大專項項目的資助。
基於40Ca+離子的量子模擬器上展現的四種不同的熱力學耗散通道
左圖和右圖各為兩種通道，每個通道可以獨立地開關，熱力學過程的速度可以精准地操控，整個熱力學過程的細節可以通過實驗量測和數值處理而精確地呈現出來
40Ca+離子的量子模擬器所展現的實驗結果
虛線為不確定性關係的下限，所有量測的四個通道的數據點（以四種顏色標記）都在虛線之上，表明耗散-時間不確定性關係成立
論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603
美國物理學會新聞焦點連結：https://physics.aps.org/articles/v15/17