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。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,这使量子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。

近日,中国科学院武汉物理与数学研究所冯芒研究团队与上海交通大学麻志浩教授合作,利用超冷离子实验平台,设计和完成了基于单量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,相关研究成果发表在《物理评论快报》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。

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擦除一个量子比特的信息所需的能量大约为10-28焦耳。要观察到如此微小的能量变化,需要将量子比特制备到极低的初始温度以及达到非常精确的测量精度。冯芒研究团队在前期工作中已实现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。在此基础上该团队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。
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; 相比宏观世界,量子世界的能耗可能会更高。