近日，鄭州大學物理學院、中原之光實驗室在實現麥克斯韋妖調控的非平衡漲落定理研究中取得重要進展，首次在單原子層面上嚴格證實了新型量子漲落定理，并觀測到了比熱力學定理更緊致的熱力學下界。

近年來，納米尺度小系統的操控在物理、化學與生命科學等領域獲得了快速發展。研究者總是希望以較低的控制成本獲得較高的控制目標，例如通過充分利用觀測數據來從分子馬達提前更多的功，利用更少的能量實現更有效地信息處理。然而，由于熱力學第二定律和麥克斯韋妖的基本限制，控制中的能量消耗和能量利用效率往往難以準確分析，并且，在能量轉換和信息處理的過程中，總有一定的能量以熱或熵的形式從系統散失到環境中，這稱為熵產生。根據熱力學第二定律，熵的產生是非負的，但是，在微觀尺度上，系統存在波動且觀察到的熵產生變得隨機，從而可能違反熱力學第二定律。然而，漲落定理表明觀察到的熵產生必須滿足熱力學第二定律，這也稱為廣義熱力學第二定律。最近，一個新的漲落定理預測，當一個麥克斯韋妖操縱系統時，一部分信息會以熱量的形式消散到環境中，稱為耗散信息，這使得實際獲得的功更少。因此，在實際實驗中設計控制協議時，有必要考慮耗散信息。

研究團隊基于⁴⁰Ca⁺離子的精密操控關鍵技術，由單個超冷⁴⁰Ca⁺離子構造的量子模擬實驗平臺，精巧地設計了麥克斯韋妖調控的西拉德機控制協議，實驗確認了系統的內稟非平衡，提供耗散信息的實驗定量證據，首次從實驗上證實了新的漲落定理與熱力學不等式，觀測到了比Sagawa-Ueda理論預言的功獲取下界更加緊致的下界。研究結果證實了信息的物理性質與微觀尺度下的非平衡過程之間的密切聯系，這有助于進一步理解信息和非平衡過程的熱力學特征和納米級和更小系統的優化設計。

相關研究成果以“Experimental Verification of Demon-Involved Fluctuation Theorems”為題發表在物理學頂級期刊《Physical Review Letters》上。我校閆磊磊研究員為論文第一作者，周飛副研究員、汪勁教授和馮芒研究員為通訊作者，鄭州大學為論文第一單位。該研究得到科技部國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、河南省自然科學基金項目與廣東省重點領域研發計劃重大專項項目的資助。

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

囚禁離子實驗實現麥克斯韋妖調控的西拉德控制協議