2022年2月10日中國(guó)科學(xué)報(bào) 第1版

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系

本報(bào)訊（見(jiàn)習(xí)記者 劉如楠）

近日，鄭州大學(xué)與中科院精密測(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精巧設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可控的量子體系非平衡熱力學(xué)過(guò)程，首次在單原子層面上準(zhǔn)確驗(yàn)證了量子開(kāi)放體系的操控速度與體系的熵增加率必須受一個(gè)內(nèi)稟的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系制約，有望將該測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系普適性從量子拓展到經(jīng)典體系。相關(guān)研究近日在線(xiàn)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

對(duì)于量子力學(xué)而言，測(cè)不準(zhǔn)原理是其基石之一。在實(shí)際量子操控過(guò)程中，會(huì)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(duì)量子測(cè)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(shí)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(wèn)題抽象為一個(gè)非平衡熱力學(xué)問(wèn)題，得到了一個(gè)普適的不等式關(guān)系（稱(chēng)為“耗散—時(shí)間不確定關(guān)系”），指出任何開(kāi)放物理體系的演化速度都會(huì)受限于非平衡熱力學(xué)過(guò)程中熵的流動(dòng)速率，這一限制條件也適用于量子系統(tǒng)。

論文第一作者、鄭州大學(xué)物理學(xué)院研究員閆磊磊介紹，這不僅是對(duì)量子力學(xué)基本理論的深入認(rèn)識(shí)，也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過(guò)程相關(guān)聯(lián)。但如何設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是一個(gè)難題。

他表示，“通過(guò)合作，我們基于40Ca+離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，利用由單個(gè)超冷40Ca+離子構(gòu)造的量子模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精巧設(shè)計(jì)了4個(gè)獨(dú)立可控的耗散通道，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱力學(xué)過(guò)程速度的精準(zhǔn)操控。同時(shí)，還自主發(fā)展了數(shù)據(jù)處理方法，使整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的細(xì)節(jié)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值處理精確呈現(xiàn)?！?/p>

基于這些成果，研究人員演示了系統(tǒng)熵流對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)速率的限制，并最終直接驗(yàn)證了“耗散—時(shí)間不確定關(guān)系”在量子體系中完全成立。

“這有助理解真實(shí)量子操控的速度限制，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化量子測(cè)量、量子初態(tài)制備和量子信息讀取等技術(shù)有重要價(jià)值?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、鄭州大學(xué)物理學(xué)院副教授蘇石磊說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.050603