有限系统量子热力学理论及在离子阱系统的应用

In this project we will theoretically study quantum thermodynamics in finite-size systems and its applications in trapped ion systems. Previous studies on quantum thermodynamics are mainly based on ideal toy models, which makes it difficult to implement in experiments. In recent years, we witness rapid progress in the experimental techniques of quantum controlling of some small quantum systems. One example in case is the trapped ion system. These developments provide a good platform for studying quantum thermodynamics experimentally. Based on our previous research experiences in quantum thermodynamics, we will continue our efforts in this field with emphases on employing individual quantum systems, such as the trapped ion system. We will focus on experiments oriented research, for example, testing those long-predicted but yet to be verified relations in quantum thermodynamics. Topics that we are considering include employing trapped ion systems to test quantum Jarzynski equality in nonequilibrium processes and Kibble-Zurek scaling law in nonequilibrium quantum phase transitions. In addition, we will study implementing quantum thermodynamic cycles, such as a quantum heat engine cycle or a quantum refrigerator cycle, in individual quantum systems. We hope to demonstrate work-heat conversion on the single atom/molecule level. We will work closely with the trapped ion experimental group in the center for quantum information at Tsinghua University. The ultimate goal of this project is to finish some research work combining our theoretical and their experimental efforts, and achieve some innovative results.

本项目旨在研究有限系统的量子热力学理论及其在离子阱系统中的应用。已有的量子热力学理论的研究大多基于理想模型。要想从实验上检验量子热力学的理论预言一直比较困难。近年来,以离子阱系统为代表的小量子系统的量子调控技术的发展为量子热力学研究提供了很好的实验平台。我们将基于过去在量子热力学领域的一系列的研究工作,以离子阱等小量子系统为平台,探讨如何在实验上检验量子热力学中一些重要的,但是至今未获得实验验证的理论预言,比如非平衡热力学中的量子Jarzynski恒等式和量子相变过程中的Kibble-Zurek标度率。另外我们还将研究如何利用离子阱等单量子系统来实现真实的量子热力学循环,比如量子热机或量子冰箱循环,以期待实现并操控单原子/分子水平上的热功转换。我们将与清华大学量子信息中心的实验组密切合作,希望能够完成几项理论和实验密切结合的研究,形成自己的特色,在量子热力学领域做出一些原创性的研究工作。

量子热力学是近年来伴随着量子信息技术发展起来的一门综合量子物理和经典统计物理的交叉前沿学科。它的主要研究对象是把原来只适用于经典宏观物理系统的热力学和统计物理的概念，原理，方法推广到只有少数自由度的系统。重点是研究量子效应对原来统计物理规律的影响，并且特别关注原理平衡的过程。已有的量子热力学理论的研究大多基于理想模型。要想从实验上检验量子热力学的理论预言一直比较困难。近年来，以离子阱和和光学镊子为代表的小系统的量子调控技术的发展为量子热力学研究提供了很好的实验平台。我们基于过去在量子热力学领域的一系列的研究工作，以离子阱系统和光学镊子中的纳米小球等小系统为平台，研究了在实验上检验量子热力学和随机热力学中一些重要的，但是至今未获得实验验证的理论预言。我们瞄准与量子热力学有关的核心物理问题, 选择验证Jarzynski 恒等式，功分布的量子—经典对应，验证细致涨落定理等重要科学问题作为着眼点，密切结合国内外的实验研究小组，进行实质性的合作研究。在几个问题上都有所突破，完成一些理论与实验相结合的原创性研究工作。我们的工作对本领域的发展有很好的推动作用。