量子平衡的光子模拟。一个封闭的多体量子系统，初始化为一个产品状态，并经历了由哈密顿生成的单元演化，必然保持在一个纯净的状态。然而，局部观测数据可能表现出广义的热化。纠缠在子系统之间建立起来，直到一段时间后，每个子系统似乎都近似于放松到一个最大熵状态。非高斯玻色子状态在二次哈密顿下演化的典型案例可以通过光子模拟平台进行探测。一个完全可编程的线性光学芯片可以通过实现适当的单元U(V)=e-iHt，V∈U(m)的m模式，提供任意时间和交互范围的局部和全局系统动力学的 "快照"。资料来源：《自然通讯》（2023）。DOI: 10.1038/s41467-023-38413-9

似乎量子力学和热力学不能同时成真。在一份新的出版物中，UT的研究人员使用光学芯片中的光子来证明这两种理论如何能同时为真。他们最近在《自然通讯》杂志上发表了他们的成果。

在量子力学中，时间可以被逆转，而信息总是被保留下来。也就是说，人们总能找到粒子的先前状态。如何将其与热力学第二定律相协调一直是一个具有挑战性的悖论。在那里，时间有一个方向，信息也会丢失。"只要想想两张照片，你把它们放在阳光下太久，过了一段时间，你就不能再区分它们了，"作者Jelmer Renema解释。

对于这个量子难题已经有了理论上的解决方案，甚至用原子做了实验，但现在UT的研究人员也用光子证明了这一点。"雷内马解释说："光子有一个优势，用它来逆转时间是非常容易的。在实验中，研究人员使用了一个带有通道的光学芯片，光子可以通过这些通道。起初，他们可以准确地确定每个通道中有多少个光子，但之后，光子就会改变位置。

子系统的纠缠

"当我们观察单个通道时，它们遵守热力学定律，建立了无序状态。基于对一个通道的测量，我们不知道有多少光子仍在该通道中，但整个系统与量子力学是一致的，"Renema说。各种通道--也被称为子系统--是纠缠在一起的。一个子系统中丢失的信息在另一个子系统中 "消失 "了。

Jelmer Renema博士是自适应量子光学研究小组的助理教授。他的团队包括柏林自由大学的Jens Eisert教授博士的研究小组，他在证明实验的可逆性方面发挥了重要作用。他们最近在《自然-通讯》杂志上发表了题为 "集成量子光子处理器中的热力学量子模拟 "的文章。

 

参考资料

F. H. B. Somhorst et al, Quantum simulation of thermodynamics in an integrated quantum photonic processor, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38413-9

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