武漢物數所等首次在量子層面上驗證朗道爾原理
2020-11-22 中國科學院武漢物數所等首次在量子層面上驗證朗道爾原理
2018-05-24 武漢物理與數學研究所
語音播報
近日，中國科學院武漢物理與數學研究所馮芒研究團隊與上海交通大學教授麻志浩合作，利用超冷離子實驗平臺，設計和完成了基於單量子比特的信息擦除實驗，在單個40Ca+離子層面上首次高精度地檢驗了量子信息與量子熱力學中的一個重要關係式——量子朗道爾原理，相關研究成果發表在《物理評論快報》上，並作為本期重要研究成果入選為編輯推薦論文（Editor’s Suggestion）和物理特色論文（Featured in Physics）。同時，美國物理學會網刊Physics邀請該領域專家盧森堡大學教授Massimiliano Esposito以《朗道爾原理經受住了量子測試》為題對這一研究成果做了專文評述。
在經典信息處理中，最小功耗是經典計算過程中擦除單個比特的信息所需消耗的能量。這是著名的朗道爾原理為計算所需功耗確定的下限，這個原理表明邏輯操作的不可逆性，也為解決困擾物理學界幾個世紀的熱力學悖論「麥克斯韋妖」提供了新的思路。但朗道爾原理在量子世界依舊成立嗎？有研究表明，當朗道爾原理所描述的系統和熱庫都被量子化，量子比特上的信息擦除強烈依賴於熱庫的溫度以及系統與熱庫之間的量子關聯。基於熵的守恆，量子朗道爾原理展現了系統信息的改變、量子化熱庫能量的變化和系統-熱庫的量子關聯等三者之間的等式關係，比經典情況下的朗道爾原理更為複雜。雖然已有很多理論文章分析了量子條件下的朗道爾原理，但至今未有相關的實驗驗證。
擦除一個量子比特的信息所需的能量大約為10-28焦耳。要觀察到如此微小的能量變化，需要將量子比特製備到極低的初始溫度以及達到非常精確的測量精度。馮芒研究團隊在前期工作中已實現40Ca+離子的基態冷卻以及離子內態與運動態的精確操控和測量等關鍵技術。在此基礎上該團隊精心設計了量子化的熱庫和對系統-熱庫量子關聯的有效測量方案，在離子內態探測誤差不超過3%和聲子數測量誤差不超過0.02的情況下，首次在單原子水平上精確驗證了量子朗道爾原理，也為量子計算所需的最小功耗提供了重要的實驗證據。尤為奇特的是，實驗還觀察到一個反常熱力學效應——在量子關聯存在的前提下，系統的能耗也可能與信息的寫入有關，而與信息的擦除無關。
該項工作有助於理解邏輯操作在量子力學層面上的不可逆性，為量子計算的最小功耗和量子化環境的應用提供實驗參考。該實驗也表明量子世界與我們所處的宏觀世界一樣，不存在永動機；相比宏觀世界，量子世界的能耗可能會更高。
助理研究員閆磊磊以及博士生熊太平、Kamren Rehen為文章的共同第一作者。副研究員周飛、楊萬裡和研究員馮芒為通訊作者。該研究得到科技部國家重點研發計劃項目「基於原子、離子與光子的少體關聯精密測量」、中科院先導專項和國家自然科學基金項目的資助。
論文連結
評述連結
量子朗道爾原理的實驗原理圖
量子朗道爾原理在超冷離子量子比特上的信息擦除的實驗結果
近日，中國科學院武漢物理與數學研究所馮芒研究團隊與上海交通大學教授麻志浩合作，利用超冷離子實驗平臺，設計和完成了基於單量子比特的信息擦除實驗，在單個40Ca+離子層面上首次高精度地檢驗了量子信息與量子熱力學中的一個重要關係式——量子朗道爾原理，相關研究成果發表在《物理評論快報》上，並作為本期重要研究成果入選為編輯推薦論文（Editor’s Suggestion）和物理特色論文（Featured in Physics）。同時，美國物理學會網刊Physics邀請該領域專家盧森堡大學教授Massimiliano Esposito以《朗道爾原理經受住了量子測試》為題對這一研究成果做了專文評述。
在經典信息處理中，最小功耗是經典計算過程中擦除單個比特的信息所需消耗的能量。這是著名的朗道爾原理為計算所需功耗確定的下限，這個原理表明邏輯操作的不可逆性，也為解決困擾物理學界幾個世紀的熱力學悖論「麥克斯韋妖」提供了新的思路。但朗道爾原理在量子世界依舊成立嗎？有研究表明，當朗道爾原理所描述的系統和熱庫都被量子化，量子比特上的信息擦除強烈依賴於熱庫的溫度以及系統與熱庫之間的量子關聯。基於熵的守恆，量子朗道爾原理展現了系統信息的改變、量子化熱庫能量的變化和系統-熱庫的量子關聯等三者之間的等式關係，比經典情況下的朗道爾原理更為複雜。雖然已有很多理論文章分析了量子條件下的朗道爾原理，但至今未有相關的實驗驗證。
擦除一個量子比特的信息所需的能量大約為10-28焦耳。要觀察到如此微小的能量變化，需要將量子比特製備到極低的初始溫度以及達到非常精確的測量精度。馮芒研究團隊在前期工作中已實現40Ca+離子的基態冷卻以及離子內態與運動態的精確操控和測量等關鍵技術。在此基礎上該團隊精心設計了量子化的熱庫和對系統-熱庫量子關聯的有效測量方案，在離子內態探測誤差不超過3%和聲子數測量誤差不超過0.02的情況下，首次在單原子水平上精確驗證了量子朗道爾原理，也為量子計算所需的最小功耗提供了重要的實驗證據。尤為奇特的是，實驗還觀察到一個反常熱力學效應——在量子關聯存在的前提下，系統的能耗也可能與信息的寫入有關，而與信息的擦除無關。
該項工作有助於理解邏輯操作在量子力學層面上的不可逆性，為量子計算的最小功耗和量子化環境的應用提供實驗參考。該實驗也表明量子世界與我們所處的宏觀世界一樣，不存在永動機；相比宏觀世界，量子世界的能耗可能會更高。
助理研究員閆磊磊以及博士生熊太平、Kamren Rehen為文章的共同第一作者。副研究員周飛、楊萬裡和研究員馮芒為通訊作者。該研究得到科技部國家重點研發計劃項目「基於原子、離子與光子的少體關聯精密測量」、中科院先導專項和國家自然科學基金項目的資助。
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