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近日，精密測量院馮芒研究團隊與鄭州大學、長春應用化學所、美國紐約州立大學石溪分校等單位合作，基于超冷離子量子精密測量平臺，實驗證實了滿足廣義熱力學第二定律的新漲落定理。研究成果8月29日發(fā)表在國際知名物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。
隨著操控納米尺度小系統(tǒng)能力的增強，人們希望用更少的能量實現(xiàn)更有效的信息處理。然而，由于熱力學第二定律的限制以及麥克斯韋妖的引入，受控的能量消耗和能量利用效率往往難以準確分析。在能量轉換和信息處理的過程中，總會有一定的能量以熱或熵的形式從系統(tǒng)散失到環(huán)境中，這稱為熵產(chǎn)生。熵產(chǎn)生應該是非負的，但在微觀尺度上系統(tǒng)的變量總在波動，因而熵產(chǎn)生具有隨機性，導致有可能違反熱力學第二定律。不過，近年來提出的漲落定理揭示出熵產(chǎn)生的平均值總是滿足熱力學第二定律，這被稱為廣義熱力學第二定律。
1871年英國物理學家麥克斯韋為了探討熱力學第二定律的有效性，引入了一個假想的智慧生物-麥克斯韋妖（Maxwell’s demon）用于測量和控制單個分子的運動，最終能導致熱力學第二定律的失效。破解這個異常現(xiàn)象的是美國物理學家西拉德，他在上世紀三十年代建立了一個名叫西拉德引擎（Szilard engine）的理論模型，指出麥克斯韋妖是通過提取分子的信息來減少系統(tǒng)的熵，從而打破了熱力學第二定律的限制。西拉德引擎揭示了信息熵與熱力學之間的深刻關系，改變了人們對傳統(tǒng)熱力學定律的理解，對計算機科學和物理學交叉領域產(chǎn)生了深遠的影響。最近一個新提出的漲落定理預測，在微尺度的西拉德引擎系統(tǒng)中，基于廣義熱力學第二定律，麥克斯韋妖操控引起的非平衡過程會導致一部分信息以熱量的形式消散到環(huán)境中，這部分信息被稱為耗散信息，信息的耗散使得系統(tǒng)實際獲得的功減少。因此，在相關研究中有必要認真考慮這種耗散信息及其造成的影響。
（a）麥克斯韋妖調(diào)控的西拉德引擎控制協(xié)議；
（b）囚禁離子的實驗方案原理圖；
（c）新漲落理論的實驗觀測結果
研究團隊精心設計了由麥克斯韋妖調(diào)控的西拉德引擎實驗方案，并在精密測量院的超冷離子實驗體系中完成了該實驗工作。基于超冷離子的精密操控關鍵技術，研究人員首先在實驗上確認了由于麥克斯韋妖的介入所帶來的系統(tǒng)內(nèi)稟的非平衡特性，然后，通過精準測量系統(tǒng)的信息耗散在實驗上證實了這個新的漲落定理。同時，研究人員還檢驗了一系列相關的熱力學不等式，觀測到比以前理論預言的提取功下界更加緊致的下界。該研究成果建立了信息的物理性質(zhì)與微觀體系的非平衡過程之間更為密切的聯(lián)系，有助于深入理解信息的熱力學特征，并應用于優(yōu)化納米級和更小系統(tǒng)的設計。該研究也為理解量子信息處理中麥克斯韋妖所帶來的影響提供了新的思路。
該研究以“Experimental Verification of Demon-Involved Fluctuation Theorems” 為題發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。精密測量院博士生卜錦濤是論文的共同第一作者，論文的通訊作者包括馮芒研究員、汪勁教授和周飛副研究員。
該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.090402