近日，中国科学院武汉物理与数学研究所冯芒研究团队与上海交通大学麻志浩教授、英国牛津大学V. Vedral教授合作，利用超冷离子实验平台，在单自旋层面上首次高精度地检验了非平衡动力学过程中的一个信息热力学等式。相关研究成果发表在《物理评论快报》上，并作为本期重要研究成果入选为编辑推荐论文（Editor’s Suggestion）。

在热力学中，非平衡动力学过程是普遍存在的动力学时间演化过程。非平衡动力学过程极其复杂，其功能关系通常只能通过不等式来表达。但是，Jarzynski在1997年提出了第一个简单普适的等式关系，将非平衡过程中的物理量与体系的自由能变化相联系。随后，牛津大学的V. Vedral将相关研究推广至更为普适的情况，得到了两次测量之间互信息变化的普适信息理论等式。这个等式更适合在量子层次上研究热力学过程，而且在初态为吉布斯态时自动约化为Jarzynski等式关系。

冯芒研究团队在前期工作中已实现了超冷离子在电磁势阱中的稳定束缚，突破了量子态精确操控的关键技术，包括任意量子态的制备，量子态时间演化的激光控制，激光相位调制和任意投影测量等。团队成员周飞副研究员、闫磊磊助理研究员以及博士生熊太平等人经过分析信息理论等式在单量子比特实验中实施的可能性，精心设计了一套可行的实验验证测量方案，在单自旋操作误差不超过0.7%的基础上，充分考虑了量子噪声和经典噪声对自旋的影响，最终首次在单自旋水平上精确验证了非平衡动力学过程中的量子信息热力学等式以及Jarzynski等式。团队其他成员杨万里副研究员等也参与了这项工作的探讨和数据分析。

该项工作有助于理解热力学在量子力学层面上的适用性，也将推动信息热力学领域去深入探索量子世界的新物理。该研究得到科技部国家重点研发计划项目“基于原子、离子与光 子的少体关联精密测量”、中科院先导专项和国家自然科学基金项目的资助。