信息論與熱力學(xué)的交匯點(diǎn)，以蘭道爾原理為代表，揭示了信息擦除與能量耗散之間的基本聯(lián)系。盡管該原理最初是針對(duì)經(jīng)典比特擦除而提出的，但其深遠(yuǎn)的影響已延伸至量子領(lǐng)域，引出了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：蘭道爾原理在復(fù)雜的量子多體系統(tǒng)中如何體現(xiàn)？發(fā)表在《自然·物理學(xué)》的論文“Experimentally probing Landauer's principle in the quantum many-body regime”正是在解決這一挑戰(zhàn)，為復(fù)雜量子系統(tǒng)中的信息處理熱力學(xué)成本提供了開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)見(jiàn)解。

蘭道爾原理的核心內(nèi)容指出，不可逆地擦除一個(gè)比特的信息至少需要耗散一定的能量，其大小與玻爾茲曼常數(shù)、溫度和2的自然對(duì)數(shù)的乘積成正比 (E≥k_B Tln2)。這個(gè)原理看似簡(jiǎn)單，卻突出了信息這一抽象概念與物理定律之間深刻的聯(lián)系。然而，在超越單個(gè)比特擦除的系統(tǒng)中，尤其是量子力學(xué)中，其中糾纏、疊加和復(fù)雜的許多體相互作用引入了額外的復(fù)雜性，對(duì)其直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一直是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

該論文巧妙地利用了超冷玻色氣體所提供的精細(xì)控制，構(gòu)建了一個(gè)先進(jìn)的量子場(chǎng)模擬器。選擇這種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是具有戰(zhàn)略意義的。超冷原子提供了一個(gè)原始的環(huán)境，具有最小的退相干，允許對(duì)量子現(xiàn)象進(jìn)行精確操縱和觀察。至關(guān)重要的是，它們可以被設(shè)計(jì)成模擬各種量子場(chǎng)理論，使其成為在遠(yuǎn)離典型經(jīng)典對(duì)應(yīng)物的背景下探測(cè)普適原理的理想選擇。

實(shí)驗(yàn)方案圍繞一個(gè)精心設(shè)計(jì)的質(zhì)量驟變過(guò)程展開(kāi)。系統(tǒng)最初由一個(gè)有質(zhì)量的克萊因-戈登場(chǎng)描述，隨后突然轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)質(zhì)量狀態(tài)。哈密頓量的這種突然變化使系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)，從而啟動(dòng)了復(fù)雜的量子動(dòng)力學(xué)。隨后，通過(guò)動(dòng)態(tài)層析重建（dynamical tomographic reconstruction）這一強(qiáng)大技術(shù)，精確跟蹤量子場(chǎng)的時(shí)空演化，從而能夠精確測(cè)量量子關(guān)聯(lián)，進(jìn)而追蹤系統(tǒng)中量子信息的演化。

這種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要有兩個(gè)目的：首先，在真實(shí)的量子多體背景下對(duì)蘭道爾原理提供可靠的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將其適用范圍擴(kuò)展到簡(jiǎn)單的單比特擦除場(chǎng)景之外。其次，也許更深刻的是，研究人員旨在將系統(tǒng)的不可逆性分解為其組成部分：量子互信息的變化以及環(huán)境偏離熱平衡的程度。這種分解對(duì)于深入理解信息理論量和熱力學(xué)原理如何共同促進(jìn)非平衡量子過(guò)程中的整體熵產(chǎn)生至關(guān)重要。

量子系統(tǒng)中的“遺忘”概念是這項(xiàng)研究的核心。正如擦除經(jīng)典比特會(huì)耗散能量一樣，量子態(tài)的“遺忘”——即系統(tǒng)初始配置的信息被有效丟失或變得不可訪問(wèn)——被假定伴隨著相應(yīng)的熵交換和能量耗散。該實(shí)驗(yàn)旨在量子場(chǎng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)中量化這種關(guān)系。

這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是令人信服的。測(cè)得的量子場(chǎng)動(dòng)力學(xué)與量子場(chǎng)理論的計(jì)算結(jié)果高度吻合，并得到半經(jīng)典準(zhǔn)粒子模型的進(jìn)一步解釋。實(shí)驗(yàn)觀察和理論理解的這種收斂有力地支持了研究發(fā)現(xiàn)。至關(guān)重要的是，實(shí)驗(yàn)明確證實(shí)，即使在高度糾纏和動(dòng)態(tài)的量子多體環(huán)境中，蘭道爾原理的規(guī)則依然成立。量子信息刪除或“遺忘”的過(guò)程確實(shí)伴隨著可測(cè)量的熵向環(huán)境轉(zhuǎn)移和相關(guān)的能量損失。

這項(xiàng)工作的意義遠(yuǎn)不止于對(duì)一個(gè)理論原理的簡(jiǎn)單確認(rèn)。它代表了我們對(duì)量子熱力學(xué)理解的重大飛躍，特別是在非平衡過(guò)程和不可逆性的根本起源方面。通過(guò)在復(fù)雜量子系統(tǒng)中精確量化信息與能量的相互作用，該研究為信息處理的最終物理極限提供了寶貴的見(jiàn)解。這直接影響了新興的量子信息處理和量子計(jì)算領(lǐng)域，其中計(jì)算操作過(guò)程中能量耗散的最小化是首要考慮的問(wèn)題。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)，即使在量子前沿，信息可以以脆弱的疊加態(tài)和糾纏態(tài)存在，熱力學(xué)這一鐵律也施加了基本的限制。

此外，這篇論文有力地證明了超冷原子平臺(tái)作為多功能量子模擬器的強(qiáng)大能力。精確控制和探測(cè)量子場(chǎng)動(dòng)力學(xué)、測(cè)量復(fù)雜的量子關(guān)聯(lián)以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究基本熱力學(xué)原理的能力，展示了這些平臺(tái)在解決現(xiàn)代物理學(xué)中一些最具挑戰(zhàn)性問(wèn)題方面的巨大潛力。