近日，太阳集团理论物理团队张堃副教授与美国纽约州立大学石溪分校汪劲教授合作，在量子信息动力学研究中取得进展，首次建立了量子信息演化的涨落定理描述，揭示了量子信息演化中的分布规律，并在IBM量子计算机上进行了模拟实验。研究成果以“Quasiprobability fluctuation theorem behind the spread of quantum information”为题，发表在国际著名物理刊物Nature系列期刊《通讯物理》 (Communications Physics 7, 91 (2024))。进入suncitygroup官网网站为第一研究单位，张堃为该论文的第一作者，汪劲教授为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s42005-024-01583-z

量子信息不仅在通讯，计算以及精密测量有着重大的应用前景，也为很多基础物理问题的研究提供了新的研究思路和方法，例如量子热力学，时空结构，以及量子力学的诠释等问题的研究。在量子信息问题的研究中，通常借助于量子熵的不等式描述，从而建立量子信息的一般理论。但仅仅依靠量子熵的不等式描述，很难得到定量的精确结果。因此发展量子信息的定量描述（等式描述）具有重大意义。

上世纪90年代，涨落定理（Fluctuation theorem）以及Jarzynski恒等式的发现，给与了热力学第二定律更为精准的定量描述，成为了非平衡热力学研究的基础。随后研究人员发现，涨落定理也可推广至量子系统，前提条件是通过两点测量方案将量子演化转变为经典概率描述。显而易见的问题即是经典概率无法完全描述量子演化，基于两点测量方案的量子涨落定理缺失了关键的量子特性，于是无法描述量子相干以及量子纠缠的涨落特点。

在2022年，张堃与曾谦博士，王煊华博士以及汪劲教授在研究量子麦克斯韦妖的问题中，基于两点测量方案，发现了一类新奇的信息涨落定理，将热力学涨落定理推广至信息动力学的层面 (PRX Quantum 3, 030315 (2022))。随后发现由于两点测量方案的限制，量子信息以及量子纠缠的动力学特征并没有包含其中，于是试图解决这一问题。然而在尝试了诸多已知理论框架后，均没有完全解决这一问题。于是决定另辟蹊径完全抛弃经典统计描述，采用准概率方法，并成功建立了量子信息的准概率涨落定理，得到了量子信息演化的分布规律。由于量子信息准概率涨落定理的普适性，获得了评审专家高度认可：“I believe that the contents are important to let people in the quantum information community know. I believe that their results can be used in various scenarios with broad applications.”

该工作得到了国家自然科学基金委“彭桓武高能基础理论中心”项目、青年基金项目，以及陕西高校青年创新团队的支持。

（图1）在IBM量子计算机上模拟3量子比特的动力学过程并测量准概率分布，准概率涨落定理得到了很好的验证（虚线为理论值）。

（图2）通过相干法测量法，在IBM量子计算机上测量3量子比特演化的准概率分布。