我科学家建立并验证绝热开放系统的量子热力学一般公式

lixiang007700

记者从中国科大获悉，该校郭光灿院士团队李传锋等人与作者合作，建立了绝热开放系统量子热力学一般公式，在量子绝热过程和热力学绝热过程之间建立了联系，并基于囚禁离子进行实验验证。研究成果日前发表在国际学术期刊《npj 量子信息》上。

近年来，量子技术的发展使得精确制备和控制量子系统成为可能。那么，在量子尺度下热力学定律是否依然适用？量子热力学由此逐步发展起来，它旨在从量子力学微观角度研究热力学定律的产生及其极限，解决麦克斯韦妖等长期以来困扰人们的问题。同时，人们也期望量子热力学能揭示出超越经典热力学范畴的新机制。

量子绝热过程和热力学绝热过程分别是量子理论和热力学理论的重要组成部分。探讨量子绝热过程和热力学绝热过程之间的联系，是量子热力学中一个非常有趣而复杂的问题。科研人员通过讨论开放量子系统中的热力学绝热过程，给出了热、功、内能和熵等的一般公式，明确了量子力学中的绝热动力学与量子热力学中的绝热过程一般是不相关的，热绝热性的充分条件可以由在稳态轨迹下绝热演化的量子系统满足。

为验证以上结论，研究组采用了囚禁离子系统开展实验。研究组开创性的提出了一种有效的解决方案，通过使用噪声对载波进行频率调制，很好的模拟了量子系统退相干信道，保真度优于99.5%，由此可以在完全可控的动力学过程中分析热量和内能。而高保真的量子态调控和信道，则保证了实验结果的高度可信性。

该成果获审稿人的高度评价，认为“是目前为数不多的，而且可能是最有说服力的理论和实验讨论之一”。该成果也提供了一个精确研究量子热力学问题的囚禁离子实验平台。