精密测量院在广义热力学第二定律实验探究方面取得新进展

　　【仪表网 研发快讯】近日，精密测量院冯芒研究团队与郑州大学、长春应用化学所、美国纽约州立大学石溪分校等单位合作，基于超冷离子量子精密测量平台，实验证实了满足广义热力学第二定律的新涨落定理。研究成果8月29日发表在国际知名物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。
 

　　随着操控纳米尺度小系统能力的增强，人们希望用更少的能量实现更有效的信息处理。然而，由于热力学第二定律的限制以及麦克斯韦妖的引入，受控的能量消耗和能量利用效率往往难以准确分析。在能量转换和信息处理的过程中，总会有一定的能量以热或熵的形式从系统散失到环境中，这称为熵产生。熵产生应该是非负的，但在微观尺度上系统的变量总在波动，因而熵产生具有随机性，导致有可能违反热力学第二定律。不过，近年来提出的涨落定理揭示出熵产生的平均值总是满足热力学第二定律，这被称为广义热力学第二定律。
 

　　1871年英国物理学家麦克斯韦为了探讨热力学第二定律的有效性，引入了一个假想的智慧生物-麦克斯韦妖(Maxwell’s demon)用于测量和控制单个分子的运动，最终能导致热力学第二定律的失效。破解这个异常现象的是美国物理学家西拉德，他在上世纪三十年代建立了一个名叫西拉德引擎(Szilard engine)的理论模型，指出麦克斯韦妖是通过提取分子的信息来减少系统的熵，从而打破了热力学第二定律的限制。西拉德引擎揭示了信息熵与热力学之间的深刻关系，改变了人们对传统热力学定律的理解，对计算机科学和物理学交叉领域产生了深远的影响。最近一个新提出的涨落定理预测，在微尺度的西拉德引擎系统中，基于广义热力学第二定律，麦克斯韦妖操控引起的非平衡过程会导致一部分信息以热量的形式消散到环境中，这部分信息被称为耗散信息，信息的耗散使得系统实际获得的功减少。因此，在相关研究中有必要认真考虑这种耗散信息及其造成的影响。
 

（a）麦克斯韦妖调控的西拉德引擎控制协议；
 

　　（b）囚禁离子的实验方案原理图；
 

　　（c）新涨落理论的实验观测结果
 

　　
 

　　研究团队精心设计了由麦克斯韦妖调控的西拉德引擎实验方案，并在精密测量院的超冷离子实验体系中完成了该实验工作。基于超冷离子的精密操控关键技术，研究人员首先在实验上确认了由于麦克斯韦妖的介入所带来的系统内禀的非平衡特性，然后，通过精准测量系统的信息耗散在实验上证实了这个新的涨落定理。同时，研究人员还检验了一系列相关的热力学不等式，观测到比以前理论预言的提取功下界更加紧致的下界。该研究成果建立了信息的物理性质与微观体系的非平衡过程之间更为密切的联系，有助于深入理解信息的热力学特征，并应用于优化纳米级和更小系统的设计。该研究也为理解量子信息处理中麦克斯韦妖所带来的影响提供了新的思路。
 

　　该研究以“Experimental Verification of Demon-Involved Fluctuation Theorems” 为题发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。精密测量院博士生卜锦涛是论文的共同第一作者，论文的通讯作者包括冯芒研究员、汪劲教授和周飞副研究员。
 

　　该研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。