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　　近日，中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所馮芒團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)麻志浩合作，利用超冷離子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)和完成了基于單量子比特的信息擦除實(shí)驗(yàn)，在單個(gè)40Ca+離子層面上首次高精度地檢驗(yàn)了量子信息與量子熱力學(xué)中的一個(gè)重要關(guān)系式——量子朗道爾原理，相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，并作為本期重要研究成果入選編輯推薦論文和物理特色論文。
　　在經(jīng)典信息處理中，最小功耗是經(jīng)典計(jì)算過程中擦除單個(gè)比特的信息所需消耗的能量。這是著名的朗道爾原理為計(jì)算所需功耗確定的下限，這個(gè)原理表明邏輯操作的不可逆性，也為解決困擾物理學(xué)界幾個(gè)世紀(jì)的熱力學(xué)悖論“麥克斯韋妖”提供了新的思路。雖然已有很多理論文章分析了量子條件下的朗道爾原理，但至今未有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　據(jù)介紹，擦除一個(gè)量子比特的信息所需的能量大約為10-28焦耳。要觀察到如此微小的能量變化，需要將量子比特制備到極低的初始溫度以及達(dá)到非常精確的測(cè)量精度。馮芒團(tuán)隊(duì)在前期工作中已實(shí)現(xiàn)40Ca+離子的基態(tài)冷卻以及離子內(nèi)態(tài)與運(yùn)動(dòng)態(tài)的精確操控和測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上該團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了量子化的熱庫和對(duì)系統(tǒng)—熱庫量子關(guān)聯(lián)的有效測(cè)量方案，在離子內(nèi)態(tài)探測(cè)誤差不超過3%和聲子數(shù)測(cè)量誤差不超過0.02的情況下，首次在單原子水平上精確驗(yàn)證了量子朗道爾原理，也為量子計(jì)算所需的最小功耗提供了重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。此外，實(shí)驗(yàn)還觀察到一個(gè)反常熱力學(xué)效應(yīng)——在量子關(guān)聯(lián)存在的前提下，系統(tǒng)的能耗也可能與信息的寫入有關(guān)，而與信息的擦除無關(guān)。
　　該項(xiàng)工作有助于理解邏輯操作在量子力學(xué)層面上的不可逆性，為量子計(jì)算的最小功耗和量子化環(huán)境的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)參考。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報(bào)》 2018-05-31 第4版 綜合)