开放量子系统中交换涨落关系的实验检验

阐明量子系统与热库之间的能量传递是量子非平衡热力学的核心问题，其可为设计量子增强热机提供新颖工具。对热库信息的缺乏本质上限制了对开放量子系统交换过程所能获得的实用认识。在此，我们在量子涨落关系框架下研究开放量子系统的能量传递。作为一种新颖工具，我们采用金刚石中的氮空位中心自旋量子比特，使其经受重复量子投影测量与可调耗散通道。在由耗散和量子投影测量引起的能量涨落下，实验结果结合数值模拟表明了能量交换涨落关系的有效性，其中能量标度因子编码了系统非平衡稳态性质中缺失的热库信息。这一结果由一项理论论证补充：该论证表明，对于开放三能级量子系统，非平衡稳态的存在决定了能量标度因子具有唯一的与时间无关的取值，涨落关系在此取值下成立。我们的发现为研究任意开放量子系统中的能量交换机制铺平了道路。