2022年2月10日中國科學(xué)報 第1版

實驗驗證量子力學(xué)測不準關(guān)系

本報訊（見習(xí)記者 劉如楠）

近日，鄭州大學(xué)與中科院精密測量科學(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，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)研究近日在線發(fā)表于《物理評論快報》。

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。

研究人員將以上問題抽象為一個非平衡熱力學(xué)問題，得到了一個普適的不等式關(guān)系（稱為“耗散—時間不確定關(guān)系”），指出任何開放物理體系的演化速度都會受限于非平衡熱力學(xué)過程中熵的流動速率，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，這不僅是對量子力學(xué)基本理論的深入認識，也是第一次將量子速度與熱力學(xué)過程相關(guān)聯(lián)。但如何設(shè)計一個實際體系進行實驗驗證是一個難題。

他表示，“通過合作，我們基于40Ca+離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，利用由單個超冷40Ca+離子構(gòu)造的量子模擬實驗平臺，精巧設(shè)計了4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，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)值處理精確呈現(xiàn)。”

基于這些成果，研究人員演示了系統(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。

“這有助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?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑧嵵荽髮W(xué)物理學(xué)院副教授蘇石磊說。

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