近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院、中原之光實(shí)驗(yàn)室在實(shí)現(xiàn)麥克斯韋妖調(diào)控的非平衡漲落定理研究中取得重要進(jìn)展，首次在單原子層面上嚴(yán)格證實(shí)了新型量子漲落定理，并觀測到了比熱力學(xué)定理更緊致的熱力學(xué)下界。

近年來，納米尺度小系統(tǒng)的操控在物理、化學(xué)與生命科學(xué)等領(lǐng)域獲得了快速發(fā)展。研究者總是希望以較低的控制成本獲得較高的控制目標(biāo)，例如通過充分利用觀測數(shù)據(jù)來從分子馬達(dá)提前更多的功，利用更少的能量實(shí)現(xiàn)更有效地信息處理。然而，由于熱力學(xué)第二定律和麥克斯韋妖的基本限制，控制中的能量消耗和能量利用效率往往難以準(zhǔn)確分析，并且，在能量轉(zhuǎn)換和信息處理的過程中，總有一定的能量以熱或熵的形式從系統(tǒng)散失到環(huán)境中，這稱為熵產(chǎn)生。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熵的產(chǎn)生是非負(fù)的，但是，在微觀尺度上，系統(tǒng)存在波動且觀察到的熵產(chǎn)生變得隨機(jī)，從而可能違反熱力學(xué)第二定律。然而，漲落定理表明觀察到的熵產(chǎn)生必須滿足熱力學(xué)第二定律，這也稱為廣義熱力學(xué)第二定律。最近，一個新的漲落定理預(yù)測，當(dāng)一個麥克斯韋妖操縱系統(tǒng)時，一部分信息會以熱量的形式消散到環(huán)境中，稱為耗散信息，這使得實(shí)際獲得的功更少。因此，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中設(shè)計控制協(xié)議時，有必要考慮耗散信息。

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)平臺，精巧地設(shè)計了麥克斯韋妖調(diào)控的西拉德機(jī)控制協(xié)議，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了系統(tǒng)的內(nèi)稟非平衡，提供耗散信息的實(shí)驗(yàn)定量證據(jù)，首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了新的漲落定理與熱力學(xué)不等式，觀測到了比Sagawa-Ueda理論預(yù)言的功獲取下界更加緊致的下界。研究結(jié)果證實(shí)了信息的物理性質(zhì)與微觀尺度下的非平衡過程之間的密切聯(lián)系，這有助于進(jìn)一步理解信息和非平衡過程的熱力學(xué)特征和納米級和更小系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

相關(guān)研究成果以“Experimental Verification of Demon-Involved Fluctuation Theorems”為題發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊《Physical Review Letters》上。我校閆磊磊研究員為論文第一作者，周飛副研究員、汪勁教授和馮芒研究員為通訊作者，鄭州大學(xué)為論文第一單位。該研究得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目與廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項(xiàng)項(xiàng)目的資助。

全文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.090402

囚禁離子實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)麥克斯韋妖調(diào)控的西拉德控制協(xié)議