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2020年09月03日
中国科大建立并实验验证绝热开放系统的量子热力学一般公式

我校郭光灿院士团队在量子热力学领域中取得重要研究进展。该团队李传锋、黄运锋、崔金明等人与巴西合作者建立了绝热开放系统量子热力学一般公式,在量子绝热过程和热力学绝热过程之间建立了联系,并基于囚禁离子进行实验验证。该研究成果以Quantum thermodynamics in adiabatic open systems and its trapped-ion experimental realization为题8月26日发表在国际学术期刊《npj Quantum Information》上。

热力学是通过研究物质的宏观现象而得到的唯象理论,自建立以来取得了巨大的成功,在许多系统中都得到了广泛的应用。近年来量子技术的发展使得精确制备和控制量子系统成为可能,人们开始考虑一个重要的问题,即在量子尺度下热力学定律是否依然适用?量子热力学由此逐步发展起来,它旨在从量子力学微观角度研究热力学定律的产生及其极限,解决麦克斯韦妖等长期以来困扰人们的问题。同时人们也期望量子热力学能揭示出超越经典热力学范畴的新机制,从而促进科学和技术的发展。

量子绝热过程和热力学绝热过程分别是量子理论和热力学理论的重要组成部分。探讨量子绝热过程和热力学绝热过程之间的联系是量子热力学中一个非常有趣而复杂的问题。李传锋研究组与巴西合作者通过讨论开放量子系统中的热力学绝热过程,给出了热、功、内能和熵等的一般公式,明确了量子力学中的绝热动力学与量子热力学中的绝热过程一般是不相关的,热绝热性的充分条件可以由在稳态轨迹下绝热演化的量子系统满足。

为了验证以上结论,研究组采用了囚禁离子系统开展实验。囚禁离子具有相干时间长、拥有自旋及运动等多个自由度且易于操控,是进行量子信息处理的理想量子系统。然而离子和环境的耦合主要由背景磁场决定,难以实时控制,所以如何实现含时的退相干信道是实验难点所在。研究组开创性的提出了一种有效的解决方案,通过使用噪声对载波进行频率调制,很好的模拟了量子系统退相干信道,保真度优于99.5%,由此可以在完全可控的动力学过程中分析热量和内能。而高保真的量子态调控和信道,则保证了实验结果的高度可信性。

该工作得到了审稿人的高度评价:” The present work would be one of the very few, and probably the most convincing, theoretical and experimental discussion on the relation between thermodynamical adiabatic processes and quantum adiabatic processed in open quantum systems (对于开放量子系统的热力学绝热过程和量子绝热过程之间的关系,该工作是目前为数不多的,而且可能是最有说服力的理论和实验讨论之一)”。本成果提供了一个精确研究量子热力学问题的囚禁离子实验平台。

中科院量子信息重点实验室已毕业博士研究生胡长康为论文第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及博士后科学基金的资助。

囚禁离子实验装置图

不同退相干情况下,热量随演化时间的变化

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41534-020-00300-2


(中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部)

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