近日，中国科学院精密测量院冯芒研究团队携手郑州大学、中国科学院长春应用化学所、美国纽约州立大学石溪分校等国内外单位，在广义热力学第二定律的实验研究上取得新进展。该研究团队基于超冷离子量子精密测量平台，实验证实了满足广义热力学第二定律的新涨落定理，这一成果8月29日在知名物理学期刊《物理评论快报》上发表。
专家介绍，随着操控纳米尺度小系统能力的增强，人们希望用更少的能量实现更有效的信息处理。然而，这一愿景面临着热力学第二定律的严峻挑战。传统上，热力学第二定律指出，在能量转换和信息处理过程中，总会有一部分能量以热或熵的形式散失到环境中，这被称为熵产生。但在微观尺度上，系统的变量时刻在波动，导致熵产生具有随机性，甚至可能短暂违反热力学第二定律。
为了破解这一难题，科学家们引入了一个假想的智慧生物-麦克斯韦妖，用于测量和控制单个分子运动。美国物理学家西拉德通过提出西拉德引擎模型，揭示了麦克斯韦妖实际上是通过提取信息来减少系统熵，从而不违反广义热力学第二定律。
冯芒研究团队设计了一套由麦克斯韦妖调控的西拉德引擎实验方案，并在精密测量院的超冷离子实验体系中成功实施。他们不仅验证了麦克斯韦妖介入下系统的非平衡特性，还通过精准测量系统的信息耗散，实验上证实了新提出的涨落定理。这一发现不仅为信息的物理性质与微观体系非平衡过程之间的联系提供了新视角，还有助于优化纳米级及更小系统的设计，提升能量利用效率。
此次研究成果的发表，标志着中国在广义热力学第二定律实验研究领域的又一次突破，对于推动热力学、信息科学及量子信息处理等领域的交叉融合具有重要意义。
该研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.090402
