我们的工作“Quantum thermodynamics in adiabatic open systems and its trapped-ion experimental realization”发表于 npj Quantum Information。通过与巴西研究者合作，我们建立了绝热开放系统量子热力学的一般公式，连接量子绝热过程与热力学绝热过程，并利用囚禁离子在实验中验证了理论。
研究动机
热力学建立在对物质宏观行为的观察之上，在众多系统中取得了成功。随着量子技术的发展，人们能够精确制备和操控量子系统，由此产生一个基本问题：热力学定律在量子尺度是否仍然适用？ 量子热力学逐步发展，从量子力学的微观视角研究热力学定律的涌现及适用边界，并探讨 Maxwell 妖等长期存在的问题。
主要贡献
量子绝热过程与热力学绝热过程分别是量子理论和热力学的重要组成部分，二者的关系复杂而值得研究。我们推导了开放量子系统中热、功、内能和熵的一般公式，并明确了量子力学绝热性与热力学绝热性通常并不等价；沿稳态轨迹绝热演化的量子系统满足热力学绝热性的一项充分条件。
实验验证
实验在我们的离子阱系统中完成。囚禁离子具有长相干时间，以及自旋、运动等多个可控自由度，是量子信息处理的理想平台。我们通过噪声调制载波频率，发展了模拟随时间变化退相干通道的方案，模拟量子退相干通道的保真度超过 99.5%。借助高保真量子态操控，我们在完全可控的动力学过程中分析了热与内能。
图 1. 研究开放量子系统中绝热性热力学的实验方案。（a）六针 Paul 阱及相关能级示意图。（b）实验微波装置，用于产生驱动场，并控制作为退相干通道的高斯噪声。
审稿人评价：“关于开放量子系统中热力学绝热过程与量子绝热过程之间的关系，当前工作是为数不多、也可能是最有说服力的理论和实验讨论之一。”
论文第一作者为本实验室毕业博士胡长康。该工作得到科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和博士后科学基金的支持。