耗散信息的条件熵产生与量子涨落定理：理论与实验

我们研究量子条件熵产生，它从称为参考的第三系统的视角量化系统-环境演化的不可逆性。参考最初与系统相关。我们表明，关于系统的量子无条件熵产生小于关于参考的条件熵产生，其中后者包含参考诱导的耗散信息。耗散信息精确定位了环境与该参考之间建立的分布式关联，即使它们不直接相互作用。当达到热平衡时，系统-环境演化具有零无条件熵产生。然而，关于参考仍可能具有非零条件熵产生，其刻画了在参考视角下系统-环境演化的信息非平衡。对条件熵产生的额外贡献，即耗散信息，刻画了系统为维持与参考的关联所付出的最小热力学代价。正的耗散信息也刻画了潜在的工作浪费。我们证明了当应用两点测量时，两类熵产生与耗散信息均遵循量子涨落定理。我们在IBM量子计算机上实验验证了耗散信息的量子涨落定理。我们还给出了基于量子比特碰撞模型的例子，并展示了在量子比特麦克斯韦妖协议中普遍存在的非零耗散信息。