科學家建立絕熱開放系統的量子熱力學一般公式

記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒等人與作者合作，建立了絕熱開放系統量子熱力學一般公式，在量子絕熱過程和熱力學絕熱過程之間建立了聯繫，並基於囚禁離子進行實驗驗證。研究成果日前發表在國際學術期刊《npj 量子信息》上。

近年來，量子技術的發展使得精確製備和控制量子系統成為可能。那麼，在量子尺度下熱力學定律是否依然適用？量子熱力學由此逐步發展起來，它旨在從量子力學微觀角度研究熱力學定律的產生及其極限，解決麥克斯韋妖等長期以來困擾人們的問題。同時，人們也期望量子熱力學能揭示出超越經典熱力學範疇的新機制。

量子絕熱過程和熱力學絕熱過程分別是量子理論和熱力學理論的重要組成部分。探討量子絕熱過程和熱力學絕熱過程之間的聯繫，是量子熱力學中一個非常有趣而複雜的問題。科研人員通過討論開放量子系統中的熱力學絕熱過程，給出了熱、功、內能和熵等的一般公式，明確了量子力學中的絕熱動力學與量子熱力學中的絕熱過程一般是不相關的，熱絕熱性的充分條件可以由在穩態軌跡下絕熱演化的量子系統滿足。

為驗證以上結論，研究組採用了囚禁離子系統開展實驗。研究組開創性的提出了一種有效的解決方案，通過使用噪聲對載波進行頻率調製，很好的模擬了量子系統退相干信道，保真度優於99.5%，由此可以在完全可控的動力學過程中分析熱量和內能。而高保真的量子態調控和信道，則保證了實驗結果的高度可信性。

該成果獲審稿人的高度評價，認為「是目前為數不多的，而且可能是最有說服力的理論和實驗討論之一」。該成果也提供了一個精確研究量子熱力學問題的囚禁離子實驗平臺。