囚禁離子系統中量子統計的實驗驗證

《囚禁離子系統中量子統計的實驗驗證》是依託清華大學，由金奇奐擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：囚禁離子系統中量子統計的實驗驗證
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：金奇奐
• 項目類別：面上項目

項目摘要

在眾多領域內納米技術的發展使得微觀系統的量子現象和漲落吸引了越來越多的關注，人們也致力於開發超越經典極限的基於量子原理的新器件。其中，量子計算機和量子模擬器是典型的例子。離子阱系統是實現大規模量子計算的主要候選，允 許我們精確可控地觀察微觀量子現象。得益於實驗技術的發展，一些原被設計於理解量子理論的思想實驗直到最近才可能實驗實現。我們現提出研究和駕馭量子統計和漲落的實驗計畫。首先，擬實驗驗證量子統計的基本原理。目前，許多統計物理原理的量子拓展僅限於理論，如Crooks漲落定理等。我們將在孤立和開放量子系統中檢驗這些原理，其結果將為量子統計奠定堅實基礎。其次，擬開發經典和量子Szilard引擎（麥克斯韋妖的具體實例），該技術將被套用到信息熱機的研究中。最後，上述實驗計畫均需以全新方式操縱離子阱中的聲子：聲子數加減和投影測量。我們有明確的計畫克服現行技術限制，並在世界範圍內率先實現這類新技術。

結題摘要

在過去四年中，我們利用囚禁離子系統在量子領域進行了關於統計物理的實驗研究。我們達成了項目的以下主要目標：（1）利用囚禁離子系統研究熱力學原理，特別是闡明熱力學第二定律的功的漲落定理在量子領域的有效性；（2）開發可進行量子熱力學實驗研究的工具，特別是針對離子晶體振動模式的操作工具集。人們對經典統計物理中非平衡功及其漲落定理進行了細緻的研究，並且實驗驗證了量子孤立系統的非平衡功的漲落定理。然而，將這些結果推廣到開放量子系統具有概念性的困難。在本項目的實施過程中，我們通過實驗驗證的方式將量子漲落定理的有效性推廣到受退相干熱庫作用的量子開放系統的情況。我們還開發了聲子數平移操作、投影測量、位移、壓縮和分束等用來操作離子晶體振動模式的必要工具。本項目主要進行基礎研究，大部分成果發表於學術期刊。在過去四年中，本項目共發表13篇SCI收錄期刊論文，包括1篇發表於《Nature》、1篇發表於《Nature Photonics》、4篇發表於《Nature Communications》、1篇發表於《Proceedings of the National Academy of Sciences》、2篇發表於《Physical Review Letters》、1篇發表於《Physical Review X》、1篇發表於《Chemical Science》和2篇發表於《New Journal of Physics》。本項目共培養了8名獲得博士學位的研究生。