近日，中科院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称精测院）研究团队与多个单位合作，利用超冷40Ca+离子所构造的量子模拟实验平台，设计并实验展现了可控的量子非平衡热力学过程，在单原子层面上首次高精度地验证了“远离平衡状态的量子体系的操控速度受制于体系的熵产生率”这一全新量子热力学特性。该成果不仅涉及量子力学和热力学的基本问题，而且对于优化量子测量、量子态制备和量子信息读取，甚至加快量子计算的速度等有重要意义。相关研究成果发表于《物理评论快报》。

长期以来，能否进一步加快量子体系的操控速度是一个挑战。实际的量子操控不可避免地受到环境影响，快速操控真实体系的量子态除了需要量子技术的提升，也要考虑其它非量子的因素。

2020年的一项理论研究将以上问题抽象为一个非平衡热力学问题，得到了一个普适的不等式关系（称为“耗散—时间不确定性关系”），表明任何非平衡热力学过程中物理体系的演化速度都会受限于熵的流动速率。

在本项工作中，研究人员运用离子阱量子操控技术检验了以上理论结论。离子阱系统以孤立干净、精准可控而著称，是目前最有希望展现量子技术优越性的候选者之一。精测院冯芒研究团队一直在发展基于40Ca+离子的精密操控关键技术。

研究人员基于由单个超冷40Ca+离子构造的量子模拟实验平台，精巧地设计了四个独立可控的耗散通道，每个通道可以独立开关，热力学过程的速度可以精准操控；同时，研究人员还自主发展了一套数据后处理的理论方法，使整个热力学过程的细节可以通过实验测量和数值处理精确地呈现出来，由此完全满足了模拟一个可控的量子非平衡热力学过程的物理条件。经过针对不同参数条件的多次实验，反复对比测量的结果，研究人员最终确认了“耗散—时间不确定性关系”在量子体系中完全成立。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.050603