近日，我院人工微结构陈刚研究团队与中科院精密测量研究院冯芒研究员团队、中科院长春应化所汪劲教授、河南省科学院等单位合作，利用超冷⁴⁰Ca⁺离子所构造的量子模拟实验平台，设计并实现麦克斯韦妖调控的非平衡过程，探测了耗散信息的产生，首次在单原子层面上严格证实了最新发表于《ScienceAdvances》上的新型涨落理论，并观测到了比热力学定理更紧致的下界，研究成果以“Experimental Verification of Demon-Involved Fluctuation Theorems”为题发表在物理学国际顶尖期刊《Physical Review Letters》上。我院闫磊磊研究员为论文第一作者，周飞副研究员、汪劲教授和冯芒研究员为通讯作者，郑州大学为论文第一单位。

纳米尺度小系统的操控在物理、化学与生命科学等领域获得了快速发展。研究者总是希望以较低的控制成本获得较高的控制目标，例如通过充分利用观测数据来从分子马达提前更多的功，利用更少的能量实现更有效地信息处理。然而，由于热力学第二定律和麦克斯韦妖的基本限制，控制中的能量消耗和能量利用效率往往难以准确分析，并且，在能量转换和信息处理的过程中，总有一定的能量以热或熵的形式从系统散失到环境中，这称为熵产生。根据热力学第二定律，熵的产生是非负的，然而，在微观尺度上，系统存在波动且观察到的熵产生变得随机，从而可能违反热力学第二定律。然而，涨落定理表明观察到的熵产生必须满足热力学第二定律，这也称为广义热力学第二定律。最近，一个新的涨落定理预测，当一个麦克斯韦妖操纵系统时，一部分信息会以热量的形式消散到环境中，称为耗散信息，这使得实际获得的功更少。因此，在实际实验中设计控制协议时，有必要考虑耗散信息

研究团队与中科院精密测量研究院、中科院应化所等单位合作，基于⁴⁰Ca⁺离子的精密操控关键技术，由单个超冷⁴⁰Ca⁺离子构造的量子模拟实验平台，精巧地设计了麦克斯韦妖调控的西拉德机控制协议，实验确认了系统的内禀非平衡，提供耗散信息的实验定量证据，首次从实验上证实了新的涨落定理与热力学不等式，观测到了比Sagawa-Ueda理论预言的功获取下界更加紧致的下界。我们的研究结果证实了信息的物理性质与微观尺度下的非平衡过程之间的密切联系，这有助于进一步理解信息和非平衡过程的热力学特征和纳米级和更小系统的优化设计

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。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.090402

图（a）：麦克斯韦妖调控的西拉德控制协议；（b）：囚禁离子的实验实现；（c）新型涨落理论的实验实现。