武汉物数所等首次在单自旋层面上精确检验信息热力学等式

近日，中国科学院武汉物理与数学研究所冯芒研究团队与上海交通大学教授麻志浩、英国牛津大学教授V. Vedral合作，利用超冷离子实验平台，在单自旋层面上首次高精度地检验了非平衡动力学过程中的一个信息热力学等式。相关研究成果发表在《物理评论快报》上，并作为重要研究成果入选编辑推荐论文（Editor’s Suggestion）。

在热力学中，非平衡动力学过程是普遍存在的动力学时间演化过程。非平衡动力学过程极其复杂，其功能关系通常只能通过不等式来表达。1997年，Jarzynski提出第一个简单普适的等式关系，将非平衡过程中的物理量与体系的自由能变化相联系。牛津大学的V. Vedral将相关研究推广至更为普适的情况，得到两次测量之间互信息变化的普适信息理论等式。这个等式更适合在量子层次上研究热力学过程，而且在初态为吉布斯态时自动约化为Jarzynski等式关系。

冯芒研究团队在前期工作中已实现了超冷离子在电磁势阱中的稳定束缚，突破了量子态精确操控的关键技术，包括任意量子态的制备，量子态时间演化的激光控制，激光相位调制和任意投影测量等。研究团队经过分析信息理论等式在单量子比特实验中实施的可能性，精心设计了一套可行的实验验证测量方案，在单自旋操作误差不超过0.7%的基础上，充分考虑了量子噪声和经典噪声对自旋的影响，最终首次在单自旋水平上精确验证了非平衡动力学过程中的量子信息热力学等式以及Jarzynski等式。研究团队完成了该工作的探讨和数据分析。

该项工作有助于理解热力学在量子力学层面上的适用性，也将推动信息热力学领域去深入探索量子世界的新物理。研究工作得到科技部国家重点研发计划项目“基于原子、离子与光子的少体关联精密测量”、中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金项目的资助。

实验原理图

纯态下信息论等式和互信息总量的实验测量值