量子涨落定理在含相干性量子系统中的实验验证

该研究针对量子涨落定理（QFT）在含相干性量子系统中的拓展应用问题，利用光子系统开展实验验证。发现正向与多次时间反转过程的准概率比遵循广义 Crooks QFT，相干性引发量子熵产生虚部，为探索噪声量子信息处理提供工具。

　　热力学第二定律作为物理学的核心定律之一，描述了宏观系统的不可逆性，而涨落定理（FT）则将其拓展到统计领域，揭示了非平衡过程中熵产生概率的对称性。在经典系统中，涨落定理已得到充分验证，但量子领域的拓展因量子相干性和噪声的复杂性而充满挑战。量子系统中，能量和热量的定义不明确，且传统投影测量会破坏初始态的相干性，难以直接应用经典理论，因此亟需建立适用于量子系统的广义涨落定理，以深入理解量子器件中的非平衡动力学。

为解决这一问题，研究人员开展了量子涨落定理（QFT）在含相干性量子系统中的实验验证研究。通过光子系统，探索适用于具有非经典特性（包括熵产生的准概率描述和多次时间反转过程）的广义量子过程。研究发现，正向与任意多次时间反转过程的准概率之比遵循广义 Crooks QFT，且量子过程引起的相干性会导致量子熵产生的虚部，该虚部主导了 QFT 中的相位因子，证实了一般量子过程与其时间反转过程之间的基本对称性。此研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》。

研究主要采用以下关键技术方法：利用光子系统编码量子比特，通过两点广义测量协议重构量子熵产生的准概率分布，设计包含退相和振幅阻尼的非幺正量子通道及协变量子通道，结合幺正变换操作实现时间反转过程，通过量子态断层扫描和量子过程断层扫描验证通道特性，利用旋转偏振器等光学元件精确控制光子偏振态和相位延迟。

量子熵产生与多次时间反转过程

研究通过一般量子通道 N 描述量子熵产生，引入冯?诺依曼熵 S(ρ^) 和非平衡势 ?lnγ^ 定义平均熵产生。量子熵产生可呈复数值，其虚部与时间反转过程的相位因子相关。协变量子通道满足时间平移对称性，熵产生为实值；非协变量子通道因存在非对角元间的跃迁，熵产生包含虚部，对应相干性引起的量子效应。通过状态系综的本征态跃迁概率和复值跃迁振幅，构建准概率分布，揭示量子过程的非经典特性。

实验验证

实验设计光子系统，通过半波片、四分之一波片等元件制备初始态和终态，利用非偏振分束器等实现量子通道。参数校准后，通过广义测量获取测量结果的概率分布，线性变换得到准概率分布。结果显示，协变与非协变通道均遵循 Crooks 类关系，非协变通道的虚部熵产生验证了量子相干性的影响。通过不同旋转角度的幺正操作，验证了广义 QFT 在任意时间反转过程中的普适性，实验数据与理论预测高度吻合。

研究结论与讨论

研究首次在实验上验证了含相干性量子系统的广义 QFT，证实了量子过程与其时间反转过程的对称性，揭示了相干性诱导的量子熵产生虚部的关键作用。该成果为量子热力学提供了基础工具，有助于深入理解量子信息处理中的噪声效应，对量子纠错、连续时间动力学中的误差抑制等具有重要意义，推动了量子热力学与量子信息科学的交叉发展，为探索量子系统的非平衡特性提供了新视角和实验范式。