量子力学突破！我国学者在耗散—时间不确定性研究中取得进展

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量子力学突破！我国学者在耗散—时间不确定性研究中取得进展

【导读】

郑州大学物理学院闫磊磊研究员与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院冯芒研究员等合作，首次在实验上证实非平衡过程中操控速度与体系熵增加率必须受一个内禀测不准关系制约，即“耗散—时间不确定关系”。

众所周知，测不准原理是量子力学建立的基石之一，描述了一个微观粒子的某些物理量不可能同时具有确定的数值。自量子力学建立以来，测不准原理主要体现在“位置—动量不确定性”、“方位角—动量矩不确定性”与“时间—能量不确定性”。此外，自然界中普遍存在热耗散过程，卢森堡大学的艾斯波西托教授等人在理论上确立了一个过程中变化与热耗散之间的数学关系，阐释了一个过程的热耗散与完成时间的乘积不小于玻尔兹曼常数，该关系被称为“耗散—时间不确定关系”。在任何一个层面上，设计实验直接验证测不准关系都是一个极具挑战的课题，构造耗散系统并证实“耗散—时间不确定关系”从未在实验上被观测到。

研究团队聚焦这一挑战性课题，基于40Ca+离子的精密操控关键技术，在由单个超冷40Ca+离子构造的量子模拟实验平台上，通过利用钙离子内部电子态能级结构特征，设计了四个独立的可控耗散通道来模拟量子耗散过程中的“冷库”与“热库”，并利用通道内光子传输与耗散过程来模拟非平衡耗散过程中能量量子数流动，从而形成了一个由二能级系统调制的冷库与热库间能量转移模型。

同时，利用激光耦合强度调控技术实现非平衡热力学过程中能量耗散速度、冷热库温度等参数的调控，利用自主发展的高效数据后处理方法，使整个热力学过程的细节通过实验测量和数值处理精确地呈现出来，从而使整个实验过程能够有效地模拟仿真复杂非平衡过程中的能量流动。通过在时间上追踪离子的状态，分析能量流动、熵产生与熵流，实验演示了量子系统非平衡物理过程中熵流对一个过程完成速率的限制，证实了“耗散—时间不确定关系”。

该研究证实了量子力学测不准原理施加在非平衡过程中过程变化速率与能量耗散速率之间的内禀限制关系，不仅加深了对量子力学基本原理的认识，而且有助于理解真实量子操控的速度限制，对进一步优化量子测量、量子初态制备和量子信息读取等技术有重要价值。

论文信息：

标题：Experimental Verification of Dissipation-Time Uncertainty Relation

出版信息：Physical Review Letters，04 February 2022

DOI：10.1103/PhysRevLett.128.050603

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我国学者与海外合作者发现原初引力波的新非线性动力学

【导读】

中国科学技术大学蔡一夫教授团队与日本东京大学Misao Sasaki教授团队合作，在宇宙起源和原初引力波的非线性动力学领域取得进展。

探索宇宙起源的主要手段是去搜寻来自宇宙创生时期的时空涟漪，也就是原初引力波，这些时空波动的幅度大小直接由婴儿时期的宇宙能标所决定。因此，能否捕获到原初引力波成为了人类是否在婴儿宇宙寻找到超出粒子物理标准模型的高能新物理的关键线索之一。

暴胀学说，作为宇宙起源和高能新物理的代表性假说，在宇宙微波背景辐射实验中得到了部分验证。但原初引力波作为该学说的核心预言，却迟迟未被捕获，这已成为国内外宇宙学实验重点搜寻的科学目标。但如果暴胀恰好发生在婴儿宇宙的“沙漠”能区（高于当前的对撞机实验能标，又远低于相互作用大统一的理论能标），所产生的原初引力波信号会非常小，几乎不能被宇宙学探测技术所察觉。

蔡一夫团队引入了一个具有参数共振演化行为的重场，使其与原初引力波发生非线性耦合，从而为原初引力波的共振增益提供了能量来源。并且暴胀背景演化所满足的慢滚动力学可使该重场和传统的原初物质扰动之间几乎互不干扰，从而确保暴胀学说与当前的宇宙学观测能够完美契合。该研究通过构造一个具体的模型范例精准地论证出：即便婴儿宇宙是在超出粒子物理标准模型的“沙漠”能区经历的暴胀过程，也能产生足够大的原初引力波，从而理论上说明高能物理的“沙漠”也可能存在生机盎然的新物理“绿洲”。

探索未知的浩瀚宇宙，尤其是“宇宙起源”问题始终对人类有着极大的吸引力。随着引力波天文学时代的来临，人类不仅可以通过电磁信号的望远镜“看”宇宙，也可以通过引力波望远镜“听”宇宙。

为了一窥宇宙的起源，宇宙学家始终努力攻关，致力于搜寻来自婴儿宇宙的蛛丝马迹。根据蔡一夫团队的研究结果，通过非线性共振过程产生原初引力波的新理论机制有望在积极建设中的宇宙微波背景辐射实验中得以检验，例如国际的LiteBIRD小鸟太空望远镜、中国的阿里原初引力波实验等。这一最新进展不仅为观测宇宙学提供了新的科学目标，而且为探索宇宙起源这一重大科学问题提供了新方法和新理论，推动了人类对极早期宇宙的科学认知。

论文信息：

标题：Beating the Lyth Bound by Parametric Resonance during Inflation

出版信息：Physical Review Letters，15 December 2021

DOI：10.1103/PhysRevLett.127.251301

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