近日，我國科研人員利用量子模擬技術在單原子層面上證實真實的量子體系存在操控速度的極限，有助于揭示熱力學特性在量子信息處理中的作用。
中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院的馮芒研究團隊與鄭州大學、廣州工業(yè)技術研究院、河南大學等單位合作，利用超冷鈣離子所構造的量子模擬實驗平臺，通過實驗展現(xiàn)了可控的量子非平衡熱力學過程，在單原子層面上首次高精度地驗證了“遠離平衡狀態(tài)的量子體系的操控速度受制于體系的熵產生率”這一全新的量子熱力學特性，研究成果發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)
據(jù)上述研究院，該研究成果不僅涉及量子力學和熱力學的基本問題，而且對于優(yōu)化量子測量、量子態(tài)制備和量子信息讀取，甚至加快量子計算的速度等量子技術都有著重要意義。論文成果被編輯部作為亮點文章，同時推選為“編輯推薦”和“特色物理”文章。美國物理學會(APS)以“變化的速度極限”為題對該研究進行了新聞焦點報道和評述。
運用超級計算機來模擬現(xiàn)實世界的真實過程，是目前科技界和工業(yè)界廣泛采用的方法。例如，飛機和汽車性能的測試、核爆炸試驗都能在超級計算機上模擬進行。但是，當使用超級計算機來研究微觀世界的量子過程時，原來強大的計算能力立馬變得捉襟見肘。
目前人類最強大的計算機也只能計算30多個量子位所構成的系統(tǒng)。著名物理學家理查德·費曼在上世紀70年代就意識到這方面的困難，并想出了“創(chuàng)造一個人工量子力學系統(tǒng)來模擬真實的量子過程”的解決方案，簡稱“量子模擬”。一個量子模擬器其實就是一臺簡約版的量子計算機。
長期以來，能否進一步加快量子體系的操控速度不僅是一項技術挑戰(zhàn)，也是基礎科學的前沿問題。實際的量子操控不可避免地受到環(huán)境影響，環(huán)境噪聲會影響量子操控的保真度。但另一方面，這種影響在量子操控、量子初態(tài)制備等方面能起到積極的作用。因此，快速操控真實體系的量子態(tài)除了需要量子技術的提升，也要考慮其它非量子的因素。
2020年的一項理論研究將以上問題抽象為一個非平衡熱力學問題，并得到一個普適的不等式關系（稱為“耗散-時間不確定性關系”），表明任何非平衡熱力學過程中，物理體系的演化速度都會受限于熵的流動速率。由于這一限制條件也適用于量子系統(tǒng)，因此，這不僅是對量子力學基本理論的深入認識，也是第一次將量子速度與熱力學過程相關聯(lián)。
基于鈣離子的量子模擬器上展現(xiàn)的四種不同的熱力學耗散通道，圖片來自論文
此次，研究人員運用離子阱量子操控技術檢驗了以上理論。離子阱系統(tǒng)以孤立干凈、精準可控而著稱，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術優(yōu)越性的候選者之一。
馮芒研究團隊一直在發(fā)展基于鈣離子的精密操控關鍵技術，旨在發(fā)展量子精密測量應用技術，并利用量子模擬探索量子世界未知領域。研究人員基于由單個超冷鈣離子構造的量子模擬實驗平臺，精巧地設計了四個獨立可控的耗散通道，每個通道可獨立開關，由此精準操控熱力學過程的速度。
同時，研究人員還自主發(fā)展了一套數(shù)據(jù)后處理的理論方法，使整個熱力學過程的細節(jié)可以通過實驗測量和數(shù)值處理而精確呈現(xiàn)出來，由此完全滿足了模擬一個可控的量子非平衡熱力學過程的物理條件。經過多次不同參數(shù)條件的實驗，反復比對測量結果，研究人員最終確認了“耗散-時間不確定性關系”在量子體系中完全成立。
鈣離子的量子模擬器所展現(xiàn)的實驗結果，圖片來自論文
該成果有助于理解真實的量子操控的速度限制，進一步優(yōu)化量子測量、操控和量子信息讀取等涉及非平衡熱力學過程的量子技術，同時也再次證明了熱力學在真實的量子過程中所具有的作用。該項工作展示了僅單個離子構成的量子模擬器，就能精確可信地模擬難以真實觀察到的量子非平衡熱力學過程，這再一次表明量子技術的巨大潛力，以及這項顛覆性技術所具有的的未來前景。
馮芒研究團隊曾在2018年利用該量子模擬平臺驗證了蘭道爾原理在量子領域的適用性，用實驗數(shù)據(jù)表明量子永動機不可能存在，以及量子技術有助于信息處理，但在節(jié)能方面沒有優(yōu)勢。此次研究也與量子技術的能耗相關，證明量子信息讀取的快慢將取決于體系的熵的變化，為提升精密測量技術和量子操控效率所需的能耗提供了原理性解釋。