中科院武汉物数所冯芒团队:在量子层面上首次验证朗道尔原理

2018/09/26  阅读 115 次
          

中国科学院武汉物理与数学研究所冯芒课题组基于超冷离子量子光学实验平台,利用超窄线宽激光脉冲,设计和完成了单个原子比特的信息擦除实验,在单个40Ca+离子层面上首次高精度地检验了量子信息与量子热力学中的一个重要关系式——量子朗道尔原理。

在经典信息处理中,最小功耗是经典计算过程中擦除单个比特的信息所需消耗的能量。这是著名的朗道尔原理为计算所需功耗确定的下限,这个原理表明逻辑操作的不可逆性,也为解决困扰物理学界几个世纪的热力学悖论“麦克斯韦妖”提供了新的思路。但朗道尔原理在量子世界依旧成立吗?有研究表明,当朗道尔原理所描述的系统和热库都被量子化,量子比特上的信息擦除强烈依赖于热库的温度以及系统与热库之间的量子关联。基于熵的守恒,量子朗道尔原理展现了系统信息的改变、量子化热库能量的变化和系统-热库的量子关联三者之间的等式关系,比经典情况下的朗道尔原理更为复杂。虽然已有很多理论文章分析了量子条件下的朗道尔原理,但至今未有相关的实验验证。

擦除一个量子比特的信息所需的能量大约为10-28J。要观察到如此微小的能量变化,需要将量子比特的初始温度降到极低以及达到非常高的测量精度。冯芒课题组基于超窄线宽激光实现了40Ca+离子的基态冷却以及离子内态与运动态的精确操控和测量等关键技术,并在此基础上精心设计了量子化的热库和对系统-热库量子关联的有效测量方案,在离子内态探测误差不超过3%和声子数测量误差不超过0.02的情况下,首次在单原子水平上精确验证了量子朗道尔原理,也为量子计算所需的最小功耗提供了重要的实验证据。尤为奇特的是,实验还观察到一个反常热力学效应——在量子关联存在的前提下,系统的能耗也可能与信息的写入有关,而与信息的擦除无关。


图1 量子朗道尔原理的实验示意图

该项工作有助于理解逻辑操作在量子力学层面上的不可逆性,为量子计算的最小功耗和量子化环境的应用提供实验参考。该实验也表明量子世界与我们所处的宏观世界一样,不存在永动机。


图2 量子朗道尔原理在超冷离子量子比特上的信息擦除实验结果

该项研究成果近期以Single-Atom Demonstration of the Quantum Landauer Principle为题,发表在Physical Review Letters [120, 210601 (2018)]上,并作为本期重要研究成果入选为编辑推荐论文(Editor’s Suggestion)和物理特色论文(Featured in Physics)。同时,美国物理学会网刊Physics邀请该领域专家卢森堡大学的Massimiliano Esposito教授以“朗道尔原理经受住了量子测试”为题对这一研究成果做了专文评述。闫磊磊助理研究员以及博士生熊太平、Kamren Rehen为文章的共同第一作者。周飞副研究员、杨万里副研究员和冯芒研究员为通讯作者。该研究得到科技部国家重点研发计划项目“基于原子、离子与光子的少体关联精密测量”、中科院先导专项和国家自然科学基金项目的资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.210601











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