清华大学交叉信息研究院量子信息中心金奇奂副教授带领的离子阱实验小组，在试验中验证了量子Jarzynski恒等式，该成果的研究论文“Experimental test of the quantum Jarzynski equality with a trapped-ion system”（在离子阱系统中对量子Jarzynski恒等式的实验验证）近日发表于《自然》（Nature）子刊《自然•物理》（Nature Physics）上。论文的通讯作者是金奇奂副教授和全海涛助理教授，第一作者是交叉信息研究院量子信息中心的博士生安硕明。
Jarzynski恒等式是量子热力学领域的一个重要等式。热力学非平衡态中的大部分原理都以不等式的形式描述，而Jarzynski恒等式是少有的特例。自从1997年首次在理论上发现之后，人们不断尝试在经典和量子领域的实验中验证这个等式。首个经典领域的实验验证于2002年发表，而量子领域的直接验证，则因诸多实验挑战而一再延迟。


本研究工作在离子阱系统中对Jarzynski恒等式进行实验验证。离子阱系统已经成为了开发“实用”量子计算机和量子模拟器最有希望的系统之一，可以在一些复杂问题上超越经典设备的计算能力。2012年，大卫•维因兰德博士作为离子阱技术的先驱者，因其在可测量和操控单个量子系统的研究方面取得突破性的实验方法，荣获诺贝尔物理学奖。相关突破性的量子技术，对从量子设备的研发到基础科学的各个领域都带来了不可估量的革新。
该实验利用离子阱系统验证了量子热力学中Jarzynski恒等式。Jarzynski恒等式将非平衡热力学过程的自由能差与所做的功联系了起来。而验证该理论的主要实验挑战在于测量量子范畴下的功。在经典情况下，可以通过测量位移和力来计算做功。但是由于海森堡不确定原理，在量子情况下无法同时测量位移和动量。因此，也不可能直接通过将力对位移积分来得到做功。然而，对于封闭的量子体系，可以通过对瞬时能量本征态的测量来得到做功。为了验证量子Jarzynski等式，该实验首次实现了对离子阱系统中声子数态的投影测量。
该实验有望应用于利用量子热力学原理实现量子热机，量子热机拥有比任何经典热机都高的效率。同时，也可应用于实现麦克斯韦妖这一理想实验。此外，实验中实现的声子投影测量还可以利用到在离子阱系统中实现波色采样，而波色采样装置有可能是未来实现的首个计算效率超过经典计算机的装置。
该项实验工作由交叉信息研究院量子信息中心的博士生安硕明、严马可、吕定顺、路尧和张君华进行。该项工作由科技部973、国家自然科学基金和青年千人计划支持。
编辑：沈健健