我国学者在耗散—时间不确定性研究中取得进展

　　

图 （a）过程演化速率受熵流的限制（虚线为平衡过程时速率的上界）；（b）耗散时间不确定关系的实验结果（虚线为熵流一定时，完成一个过程的最短时间下限）

　　在国家自然科学基金项目（批准号：U21A20434、12074346、12074390）等资助下，郑州大学物理学院闫磊磊研究员与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院冯芒研究员等合作，首次在实验上证实非平衡过程中操控速度与体系熵增加率必须受一个内禀测不准关系制约，即“耗散—时间不确定关系”。该成果以“耗散—时间不确定关系的实验验证（Experimental Verification of Dissipation —Time Uncertainty Relation）”为题，于2022年2月4日以“Editors’ Suggestion”和“Featured in Physics”形式发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上，论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.050603。

　　众所周知，测不准原理是量子力学建立的基石之一，描述了一个微观粒子的某些物理量不可能同时具有确定的数值。自量子力学建立以来，测不准原理主要体现在“位置—动量不确定性”、“方位角—动量矩不确定性”与“时间—能量不确定性”。此外，自然界中普遍存在热耗散过程，卢森堡大学的艾斯波西托教授等人在理论上确立了一个过程中变化与热耗散之间的数学关系，阐释了一个过程的热耗散与完成时间的乘积不小于玻尔兹曼常数，该关系被称为“耗散—时间不确定关系”。在任何一个层面上，设计实验直接验证测不准关系都是一个极具挑战的课题，构造耗散系统并证实“耗散—时间不确定关系”从未在实验上被观测到。

　　研究团队聚焦这一挑战性课题，基于40Ca+离子的精密操控关键技术，在由单个超冷40Ca+离子构造的量子模拟实验平台上，通过利用钙离子内部电子态能级结构特征，设计了四个独立的可控耗散通道来模拟量子耗散过程中的“冷库”与“热库”，并利用通道内光子传输与耗散过程来模拟非平衡耗散过程中能量量子数流动，从而形成了一个由二能级系统调制的冷库与热库间能量转移模型。同时，利用激光耦合强度调控技术实现非平衡热力学过程中能量耗散速度、冷热库温度等参数的调控，利用自主发展的高效数据后处理方法，使整个热力学过程的细节通过实验测量和数值处理精确地呈现出来，从而使整个实验过程能够有效地模拟仿真复杂非平衡过程中的能量流动。通过在时间上追踪离子的状态，分析能量流动、熵产生与熵流，实验演示了量子系统非平衡物理过程中熵流对一个过程完成速率的限制，证实了“耗散—时间不确定关系”（图）。

　　该研究证实了量子力学测不准原理施加在非平衡过程中过程变化速率与能量耗散速率之间的内禀限制关系，不仅加深了对量子力学基本原理的认识，而且有助于理解真实量子操控的速度限制，对进一步优化量子测量、量子初态制备和量子信息读取等技术有重要价值。