近日，精密測(cè)量院馮芒研究團(tuán)隊(duì)與鄭州大學(xué)、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所、美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校等單位合作，基于超冷離子量子精密測(cè)量平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了滿足廣義熱力學(xué)第二定律的新漲落定理。研究成果8月29日發(fā)表在國(guó)際知名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

隨著操控納米尺度小系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，人們希望用更少的能量實(shí)現(xiàn)更有效的信息處理。然而，由于熱力學(xué)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(zhǔn)確分析。在能量轉(zhuǎn)換和信息處理的過(guò)程中，總會(huì)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(chēng)為熵產(chǎn)生。熵產(chǎn)生應(yīng)該是非負(fù)的，但在微觀尺度上系統(tǒng)的變量總在波動(dòng)，因而熵產(chǎn)生具有隨機(jī)性，導(dǎo)致有可能違反熱力學(xué)第二定律。不過(guò)，近年來(lái)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(xué)第二定律，這被稱(chēng)為廣義熱力學(xué)第二定律。

1871年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋為了探討熱力學(xué)第二定律的有效性，引入了一個(gè)假想的智慧生物-麥克斯韋妖（Maxwell’s demon）用于測(cè)量和控制單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，最終能導(dǎo)致熱力學(xué)第二定律的失效。破解這個(gè)異?，F(xiàn)象的是美國(guó)物理學(xué)家西拉德，他在上世紀(jì)三十年代建立了一個(gè)名叫西拉德引擎（Szilard engine）的理論模型，指出麥克斯韋妖是通過(guò)提取分子的信息來(lái)減少系統(tǒng)的熵，從而打破了熱力學(xué)第二定律的限制。西拉德引擎揭示了信息熵與熱力學(xué)之間的深刻關(guān)系，改變了人們對(duì)傳統(tǒng)熱力學(xué)定律的理解，對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和物理學(xué)交叉領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。最近一個(gè)新提出的漲落定理預(yù)測(cè)，在微尺度的西拉德引擎系統(tǒng)中，基于廣義熱力學(xué)第二定律，麥克斯韋妖操控引起的非平衡過(guò)程會(huì)導(dǎo)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(chēng)為耗散信息，信息的耗散使得系統(tǒng)實(shí)際獲得的功減少。因此，在相關(guān)研究中有必要認(rèn)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(shí)驗(yàn)方案原理圖；

（c）新漲落理論的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了由麥克斯韋妖調(diào)控的西拉德引擎實(shí)驗(yàn)方案，并在精密測(cè)量院的超冷離子實(shí)驗(yàn)體系中完成了該實(shí)驗(yàn)工作?；诔潆x子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，研究人員首先在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了由于麥克斯韋妖的介入所帶來(lái)的系統(tǒng)內(nèi)稟的非平衡特性，然后，通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的信息耗散在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這個(gè)新的漲落定理。同時(shí)，研究人員還檢驗(yàn)了一系列相關(guān)的熱力學(xué)不等式，觀測(cè)到比以前理論預(yù)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(guò)程之間更為密切的聯(lián)系，有助于深入理解信息的熱力學(xué)特征，并應(yīng)用于優(yōu)化納米級(jí)和更小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該研究也為理解量子信息處理中麥克斯韋妖所帶來(lái)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(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。精密測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.090402