近日，鄭州大學(xué)與中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院等合作，利用超冷40Ca+離子構(gòu)造的量子模擬實驗平臺，精巧設(shè)計并實現(xiàn)了可控的量子體系非平衡熱力學(xué)過程，首次在單原子層面上準(zhǔn)確驗證了量子開放體系的操控速度與體系的熵增加率必須受一個內(nèi)稟的測不準(zhǔn)關(guān)系制約，有望將該測不準(zhǔn)關(guān)系普適性從量子拓展到經(jīng)典體系。
相關(guān)研究成果以“Experimental Verification of Dissipation -Time Uncertainty Relation”為題發(fā)表在物理學(xué)國際權(quán)威期刊《物理評論快報（Physical Review Letters）》上，并入選編輯推薦文章及物理《PHYSICS》亮點推介。物理學(xué)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測量研究院周飛、馮芒研究員為共同通訊作者，物理學(xué)院賈瑜教授與梁二軍教授為論文重要作者。
對于量子力學(xué)而言，測不準(zhǔn)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(huán)境因素影響，盡管在某種程度上，這種影響對量子測量、量子初態(tài)制備和量子信息讀取等有積極作用，但其噪聲使量子操控的保真度大大減弱。因此，快速操控真實體系的量子態(tài)除了需要量子技術(shù)的提升，也要考慮其它非量子因素。
研究人員將以上問題抽象為一個非平衡熱力學(xué)問題，得到了一個普適的不等式關(guān)系（稱為“耗散-時間不確定關(guān)系”），指出任何開放物理體系的演化速度都會受限于非平衡熱力學(xué)過程中熵的流動速率，這一限制條件也適用于量子系統(tǒng)。
閆磊磊介紹，這不僅是對量子力學(xué)基本理論的深入認(rèn)識，也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過程相關(guān)聯(lián)。但如何設(shè)計一個實際體系進(jìn)行實驗驗證是一個難題。他表示，“通過合作，我們基于40Ca+離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，由單個超冷40Ca+離子構(gòu)造的量子模擬實驗平臺，精巧設(shè)計了四個獨立可控的耗散通道，實現(xiàn)了對熱力學(xué)過程速度的精準(zhǔn)操控。同時，還自主發(fā)展了數(shù)據(jù)處理方法，使整個熱力學(xué)過程的細(xì)節(jié)可以通過實驗測量和數(shù)值處理精確地呈現(xiàn)出來。”
基于這些成果，研究人員演示了系統(tǒng)熵流對過程實現(xiàn)速率的限制，并最終直接驗證了“耗散-時間不確定關(guān)系”在量子體系中完全成立。“這有助于理解真實量子操控的速度限制，對進(jìn)一步優(yōu)化量子測量、量子初態(tài)制備和量子信息讀取等技術(shù)有重要價值?！碧K石磊說。
該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目、河南省自然科學(xué)基金項目與廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項等項目的資助。
論文發(fā)表后被《物理評論快報》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(guān)注，其中英國著名學(xué)者Philip Ball教授以“Speed Limit on Change”為題在美國物理學(xué)會（APS）新聞期刊《Physics》做“Focus”（焦點）論文評述。
牛津大學(xué)教授Vlatko Vedral評價說，“實驗結(jié)果非常引人注目，這是因為在量子過程中追蹤所有能量損失是極具挑戰(zhàn)的”。
《中國科學(xué)報》頭版對此成果進(jìn)行了報道。
