郑州大学物理学院在信息热力学系列研究方面取得新进展-物理学院

郑州大学物理学院在信息热力学系列研究方面取得新进展

发布时间：2022年06月17日浏览次数：次

近日，我院光电信息研究所量子光学与量子传感研究小组与中科院精密测量研究院冯芒研究员研究团队合作，受邀在热力学与非平衡物理领域著名期刊《Entropy》上以“Verification of Information Thermodynamics in a Trapped Ion System”为题发表信息热力学研究方面的综述性论文。论文第一作者为闫磊磊研究员，通讯作者为闫磊磊研究员与冯芒研究员。

热力学是现代科学中的一门重要学科，它为热功自然现象提供了基本的认识，其中最著名的是热力学的四定律，尤其是，阐述时间箭头和熵的第二定律。在发现热力学第二定律之后，一个虚构的实验，被称为麦克斯韦妖[7,8]，由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出，通过利用妖的信息来挑战第二定律的普适性。如图1所示，麦克斯韦妖悖论第一次揭示了熵和信息之间的关系，阐述了信息的物理性质与本质[9]。然后，利奥·西拉德设计了一个单粒子版本的麦克斯韦妖，量化一个单粒子从温度为T的热库提取的功为kTln2,这里k表示玻尔兹曼常数。今天,信息热力学作为对信息物理性质的一种解释，具有广泛的应用价值而扩展到不同的领域，如信息擦除、非平衡等式、不可逆性和量子涨落理论。

图1：麦克斯韦妖的示意图：(a)麦克斯韦妖可以作为一个智能装置，有能力测量在容器中间窗口处周围粒子的速度或动能，然后判断粒子是否可以通过窗口到达另一边。(b)一段时间后，容器左侧温度将高于右侧，系统熵减小。

离子阱系统是量子信息处理的一个极好的平台，如图2所示，已经被用作量子信息处理器来实现通用量子逻辑门，演示量子算法，并实现可扩展量子计算。此外，由于量子的二重性力学和热力学性质，离子阱系统也可以应用创建多量子比特纠缠，验证海森堡不确定度，以制备非经典态和量子热库，并被用于演示单原子引擎。此外，通过联合利用内部电子态结构、衰减通道和振动模式，单个囚禁离子可以表现为一个标准的量子热力学系统，可被应用于验证或证明一些在信息热力学中最新发展的前沿量子物理理论。例如，在下面的系列研究中，我们利用单个钙离子实验系统，实现了量子信息擦除[1]、信息论等式[2]、不可逆性的信息论边界[3]和量子不确定性关系[4,5]的实验演示与理论模拟。

图2：（左侧）单离子实验系统；(右侧)可拓展离子阱量子计算示意图。

信息擦除是一个典型的经典计算不可逆过程，也是信息热力学研究的基础理论模型之一，擦除信息所需要的能耗受兰道尔原理制约，即擦除1比特信息需要至少耗散kTln2的能量，T为周围的环境。例如，以室温300开尔文来计算，擦除1GB的信息也仅仅只需要33pJ的能耗，远小于经典计算机焦耳级别的能量耗散。因此为了检验兰道尔原理，必须将物理系统微观化，使能耗与玻尔兹曼常数具有可比性，例如经典纳米小球系统[10]。随着近些年来量子系统实验技术的发展，特别是量子调控、耗散控制等实验技术与理论研究方法的发展，信息热力学理论在量子层面的实验演示也慢慢涌现。在囚禁离子量子系统内，我们利用离子内部电子态编码量子比特系统，利用振动模式编码量子热库，实现了量子兰道尔原理的实验证实[1]，在15到30微开尔文的低温环境中实现了10^(-28)J水平的能耗测量，通过量子兰道尔原理演示了量子层面上的信息热力学过程。

图3：量子兰道尔擦除：(a)离子能级结构；(b)量子系统上的信息擦除过程。

贾金斯基等式与信息论等式是信息热力学的另外一个重要研究方面，它反应了微观量子系统中的非平衡物理过程与信息边界问题。在一个非平衡过程中，贾金斯基等式反应了非平衡过程前后功与自由能变化之间的一个普适性等式关系[11]。另一方面，编写在一个涉及时间演化的一般量子力学过程中，通过演化前后实施两次独立的投影测量，测量过程将原始状态更新为带有编码信息的新状态，产生了一个典型的基于量子测量的信息热力学过程，这个过程满足一个由测量前后互信息与条件概率分布定义的信息论等式关系[2]。从量子力学角度来看，涨落源于热效应和量子效应，需要量子化的功在量子中是不可观测的热力学，实际的观测中通过观测布局数与本征能量的信息或者熵的变化来获得。通过概率分布与本征能量，便可以实现贾金斯基等式与信息论等式的桥接[2]。信息论的另外一个重要作用便是它可以通过熵流与信息流动对量子系统弛豫过程中的熵产生率施加一个非平凡的下界，但在量子区域内由于受到量子关联的影响，此下界会被违反[3]。

图4：(a)贾金斯基等式的RNA分子折叠实验示意图[12]；(b)信息论边界在量子区域内的违反。

与经典宏观物理系统相比，微观量子系统的信息热力学过程受到量子力学基本性质约束，例如不确定性原理，从而限制系统内物理过程变化的速度极限。最新的研究中，一个展示非平衡热力学系统速度与熵流之间约束的耗散时间不确定关系被提出[13]，阐述了物理过程的速度受系统熵流的约束，该不确定关系可适用于经典与量子两种物理系统。演示耗散时间不确定性的一个典型的经典模型和量子模型分别是一维过阻尼粒子输运模型（如图5（a））和由二能级系统调制的冷库与热库之间能量流动模型(如图5（b）)。经典过阻尼粒子传输模型可以在介观纳米玻璃球系统中通过构建周期性倾斜势场来实现，并通过观测纳米小球的轨迹与速度等物理量进行实验演示，但目前尚未有相关报道。由二能级系统调制的量子模型需要在实验中测量能量量子的流动，监测量子系统演化，所需求的实验技术难度更高，但通过实验后处理方法等理论，该模型已被我们的工作在实验上进行了模拟与演示，证实了量子系统变化的速度极限，在量子系统上实验确立了新的不确定关系[5]。

图5：(a)周期性倾斜非保守势场中纳米颗粒的过阻尼输运模型；(b)由二能级系统调制的冷库与热库之间能量量子数传输示意图。

信息热力学作为一个新兴的研究领域，涵盖了微观物理系统内信息与热力学过程两个研究方面，即体现了非平衡过程与热力学等经典统计性质，又展示了微观量子系统量子相干、量子涨落与量子关联等量子力学性质，并促使着与经典计算与量子计算不同的热力学计算的萌芽。我们预计，在蓬勃发展的信息热力学领域将出现更多的实验工作，不仅涉及单个捕获离子，还将涉及多离子系统、超导量子电路、固态自旋和超冷原子，以及微观或介观纳米热力学系统。

该研究得到科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、河南省自然科学基金项目与广东省重点领域研发计划重大专项项目的资助。

综述论文链接：https://www.mdpi.com/1099-4300/24/6/813