近日，中國科學院精密測量院馮芒研究團隊攜手鄭州大學、中國科學院長春應(yīng)用化學所、美國紐約州立大學石溪分校等國內(nèi)外單位，在廣義熱力學第二定律的實驗研究上取得新進展。該研究團隊基于超冷離子量子精密測量平臺，實驗證實了滿足廣義熱力學第二定律的新漲落定理，這一成果8月29日在知名物理學期刊《物理評論快報》上發(fā)表。

專家介紹，隨著操控納米尺度小系統(tǒng)能力的增強，人們希望用更少的能量實現(xiàn)更有效的信息處理。然而，這一愿景面臨著熱力學第二定律的嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，熱力學第二定律指出，在能量轉(zhuǎn)換和信息處理過程中，總會有一部分能量以熱或熵的形式散失到環(huán)境中，這被稱為熵產(chǎn)生。但在微觀尺度上，系統(tǒng)的變量時刻在波動，導(dǎo)致熵產(chǎn)生具有隨機性，甚至可能短暫違反熱力學第二定律。

為了破解這一難題，科學家們引入了一個假想的智慧生物-麥克斯韋妖，用于測量和控制單個分子運動。美國物理學家西拉德通過提出西拉德引擎模型，揭示了麥克斯韋妖實際上是通過提取信息來減少系統(tǒng)熵，從而不違反廣義熱力學第二定律。

馮芒研究團隊設(shè)計了一套由麥克斯韋妖調(diào)控的西拉德引擎實驗方案，并在精密測量院的超冷離子實驗體系中成功實施。他們不僅驗證了麥克斯韋妖介入下系統(tǒng)的非平衡特性，還通過精準測量系統(tǒng)的信息耗散，實驗上證實了新提出的漲落定理。這一發(fā)現(xiàn)不僅為信息的物理性質(zhì)與微觀體系非平衡過程之間的聯(lián)系提供了新視角，還有助于優(yōu)化納米級及更小系統(tǒng)的設(shè)計，提升能量利用效率。

此次研究成果的發(fā)表，標志著中國在廣義熱力學第二定律實驗研究領(lǐng)域的又一次突破，對于推動熱力學、信息科學及量子信息處理等領(lǐng)域的交叉融合具有重要意義。

該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

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

媒體鏈接：https://rmtzx.sciencenet.cn/mixmedia/a/202409/09/WS66de7802e4b03713a6f9b46c.html