鄭州大學在非平衡過程《熵增-時間》的普適性測不准關係研究方面取得突破性進展

近日,鄭州大學物理學院與中科院精密量測研究院等組織合作,利用超冷40Ca+離子所構造的量子模擬實驗平臺,精巧設計並實現了可控的量子體系非平衡熱力學過程,首次在單原子層面上準確驗證了量子開放體系的操控速度與體系的熵新增率必須受一個內禀的測不准關係制約,並且有望將該測不准關係普適性從量子拓展到經典體系。

近日,鄭州大學物理學院與中科院精密量測研究院等組織合作,利用超冷40Ca+離子所構造的量子模擬實驗平臺,精巧設計並實現了可控的量子體系非平衡熱力學過程,首次在單原子層面上準確驗證了量子開放體系的操控速度與體系的熵新增率必須受一個內禀的測不准關係制約,並且有望將該測不准關係普適性從量子拓展到經典體系。相關研究成果以“Experimental Verification of Dissipation -Time Uncertainty Relation”為題發表在物理學國際權威期刊《Physical Review Letters》上,並入選編輯推薦文章及物理《PHYSICS》亮點推介。物理學院閆磊磊研究員為論文第一作者,蘇石磊副教授和中科院精密量測研究院周飛、馮芒研究員為共同通訊作者,物理學院賈瑜教授與梁二軍教授為論文重要作者。

對於量子力學而言,測不准原理是其基石之一。在實際量子操控過程中,會不可避免地受到環境因素影響,儘管在某種程度上,這種影響對量子量測、量子初態製備和量子資訊讀取等有積極作用,但其雜訊使量子操控的保真度大大减弱。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因素。

閆磊磊研究員、蘇石磊副教授研究團隊與中科院精密量測研究院等組織合作,基於40Ca+離子的精密操控關鍵技術,由單個超冷40Ca+離子構造的量子模擬實驗平臺,精巧設計了四個獨立可控的耗散通道,實現了對熱力學過程速度的精准操控。同時,研究人員還自主發展了資料處理方法,使整個熱力學過程的細節可以通過實驗量測和數值處理精確地呈現出來。基於這些成果,他們演示了系統熵流對過程實現速率的限制,並最終直接驗證了“耗散-時間不確定關係”在量子體系中完全成立。本工作有助於理解真實量子操控的速度限制,對進一步優化量子量測、量子初態製備和量子資訊讀取等科技有重要價值。尤為重要的是,該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,再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。

該研究成果不僅涉及量子力學的基本問題,而且對於正確認識量子量測、量子態製備具有重要指導作用。論文發表後被《Physical Review Letters》被編輯推選為本期“Editors’Suggestion”(編輯推薦)高亮點論文,同時被編輯部推選為“Featured in Physics”(物理特色論文)。成果受到了國際同行和知名專家的關注,其中英國著名學者Philip Ball教授以“Speed Limit on Change”為題在美國物理學會(APS)新聞期刊《Physics》做“Focus”(焦點)論文評述。牛津大學Vlatko Vedral教授評論說:“實驗結果非常引人注目,這是因為在量子過程中追跡所有能量損失是極具挑戰的”。

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、河南省自然科學基金專案與廣東省重點領域研發計畫重大專項等項目的資助。

論文連結:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603

美國物理學會焦點評述連結:

https://physics.aps.org/articles/v15/17

本文標題: 鄭州大學在非平衡過程《熵增-時間》的普適性測不准關係研究方面取得突破性進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656032725260988
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