清華量子信息中心成功驗(yàn)證量子熱力學(xué)Jarzynski恒等式
相關(guān)研究論文在《自然》子刊發(fā)表
清華新聞網(wǎng)12月24日電 清華大學(xué)交叉信息研究院量子信息中心金奇奐副教授帶領(lǐng)的離子阱實(shí)驗(yàn)小組，在試驗(yàn)中驗(yàn)證了量子Jarzynski恒等式，該成果的研究論文“Experimental test of the quantum Jarzynski equality with a trapped-ion system”（在離子阱系統(tǒng)中對(duì)量子Jarzynski恒等式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）近日發(fā)表于《自然》（Nature）子刊《自然? 物理》（Nature Physics）上。論文的通訊作者是金奇奐副教授和全海濤助理教授，第一作者是交叉信息研究院量子信息中心的博士生安碩明。
Jarzynski恒等式是量子熱力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要等式。熱力學(xué)非平衡態(tài)中的大部分原理都以不等式的形式描述，而Jarzynski恒等式是少有的特例。自從1997年首次在理論上發(fā)現(xiàn)之后，人們不斷嘗試在經(jīng)典和量子領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證這個(gè)等式。首個(gè)經(jīng)典領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證于2002年發(fā)表，而量子領(lǐng)域的直接驗(yàn)證，則因諸多實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)而一再延遲。
量子中心搭建的離子阱子系統(tǒng)。
本研究工作在離子阱系統(tǒng)中對(duì)Jarzynski恒等式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。離子阱系統(tǒng)已經(jīng)成為了開(kāi)發(fā)“實(shí)用”量子計(jì)算機(jī)和量子模擬器最有希望的系統(tǒng)之一，可以在一些復(fù)雜問(wèn)題上超越經(jīng)典設(shè)備的計(jì)算能力。2012年，大衛(wèi)?維因蘭德博士作為離子阱技術(shù)的先驅(qū)者，因其在可測(cè)量和操控單個(gè)量子系統(tǒng)的研究方面取得突破性的實(shí)驗(yàn)方法，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。相關(guān)突破性的量子技術(shù)，對(duì)從量子設(shè)備的研發(fā)到基礎(chǔ)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都帶來(lái)了不可估量的革新。
該實(shí)驗(yàn)利用離子阱系統(tǒng)驗(yàn)證了量子熱力學(xué)中Jarzynski恒等式。Jarzynski恒等式將非平衡熱力學(xué)過(guò)程的自由能差與所做的功聯(lián)系了起來(lái)。而驗(yàn)證該理論的主要實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)在于測(cè)量量子范疇下的功。在經(jīng)典情況下，可以通過(guò)測(cè)量位移和力來(lái)計(jì)算做功。但是由于海森堡不確定原理，在量子情況下無(wú)法同時(shí)測(cè)量位移和動(dòng)量。因此，也不可能直接通過(guò)將力對(duì)位移積分來(lái)得到做功。然而，對(duì)于封閉的量子體系，可以通過(guò)對(duì)瞬時(shí)能量本征態(tài)的測(cè)量來(lái)得到做功。為了驗(yàn)證量子Jarzynski等式，該實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子阱系統(tǒng)中聲子數(shù)態(tài)的投影測(cè)量。
用來(lái)驗(yàn)證量子Jarzynski恒等式的離子阱裝置與171Yb+能級(jí)示意圖。
該實(shí)驗(yàn)有望應(yīng)用于利用量子熱力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)量子熱機(jī)，量子熱機(jī)擁有比任何經(jīng)典熱機(jī)都高的效率。同時(shí)，也可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)麥克斯韋妖這一理想實(shí)驗(yàn)。此外，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的聲子投影測(cè)量還可以利用到在離子阱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)波色采樣，而波色采樣裝置有可能是未來(lái)實(shí)現(xiàn)的首個(gè)計(jì)算效率超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的裝置。
該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作由交叉信息研究院量子信息中心的博士生安碩明、嚴(yán)馬可、呂定順、路堯和張君華進(jìn)行。該項(xiàng)工作由科技部973、國(guó)家自然科學(xué)基金支持。
文章鏈接：http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3197.html
供稿：交叉信息研究院 學(xué)生編輯：長(zhǎng)松
