清華量子信息中心成功驗證量子熱力學Jarzynski恒等式 結果在Nature Physics發表

2014年12月23日 瀏覽次數: 0

清華大學交叉信息研究院量子信息中心金奇奐副教授帶領的離子阱實驗小組，在試驗中驗證了量子Jarzynski恒等式，研究成果近期發表于《自然》子刊Nature Physics上。

Jarzynski恒等式是量子熱力學領域的一個重要等式。熱力學非平衡態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年首次在理論上發現之后，人們不斷嘗試在經典和量子領域的實驗中驗證這個等式。首個經典領域的實驗驗證于2002年發表，而量子領域的直接驗證，則因諸多實驗挑戰而一再延遲。

 
清華量子中心搭建的離子阱子系統

本研究工作在離子阱系統中對Jarzynski恒等式進行實驗驗證。離子阱系統已經成為了開發“實用”量子計算機和量子模擬器最有希望的系統之一，可以在一些復雜問題上超越經典設備的計算能力。2012年，大衛•維因蘭德博士作為離子阱技術的先驅者，因其在可測量和操控單個量子系統的研究方面取得突破性的實驗方法，榮獲諾貝爾物理學獎。相關突破性的量子技術，對從量子設備的研發到基礎科學的各個領域都帶來了不可估量的革新。

該實驗利用離子阱系統驗證了量子熱力學中Jarzynski恒等式。Jarzynski恒等式將非平衡熱力學過程的自由能差與所做的功聯系了起來。而驗證該理論的主要實驗挑戰在于測量量子范疇下的功。在經典情況下，可以通過測量位移和力來計算做功。但是由于海森堡不確定原理，在量子情況下無法同時測量位移和動量。因此，也不可能直接通過將力對位移積分來得到做功。然而，對于封閉的量子體系，可以通過對瞬時能量本征態的測量來得到做功。為了驗證量子Jarzynski等式，該實驗首次實現了對離子阱系統中聲子數態的投影測量。

Schematic of ion trap apparatus and the 171Yb+ system for the test of quantum Jarzynski equality.

該實驗有望應用于利用量子熱力學原理實現量子熱機。量子熱機擁有比任何經典熱機都高的效率。同時也可應用于實現麥克斯韋妖這一理想實驗。此外，實驗中實現的聲子投影測量還可以利用到在離子阱系統中實現波色采樣，而波色采樣裝置有可能是未來實現的首個計算效率超過經典計算機的裝置。

該項實驗工作由交叉信息研究院量子信息中心的博士生安碩明，嚴馬可，呂定順，路堯和張君華進行。該中心的張靜寧，尹璋琦助理研究員與北京大學物理學院全海濤助理教授提供了理論支持。該項工作由科技部973導向項目和國家自然科學基金。

論文鏈接參見：http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3197.html