近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院與中科院精密測量研究院等單位合作，利用超冷40Ca+離子所構(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)稟的測不準關(guān)系制約，并且有望將該測不準關(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《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。

閆磊磊研究員、蘇石磊副教授研究團隊與中科院精密測量研究院等單位合作，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)過程速度的精準操控。同時，研究人員還自主發(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，他們演示了系統(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。本工作有助于理解真實量子操控的速度限制，對進一步優(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。尤為重要的是，該工作展示了單個離子構(gòu)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(xué)過程，再次表明量子技術(shù)的巨大潛力和作為一項顛覆性技術(shù)的未來前景。

該研究成果不僅涉及量子力學(xué)的基本問題，而且對于正確認識量子測量、量子態(tài)制備具有重要指導(dǎo)作用。論文發(fā)表后被《Physical Review Letters》被編輯推選為本期“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)Vlatko Vedral教授評論說 ：“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”。

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。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603

美國物理學(xué)會焦點評述鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/17