探索宇宙奧秘 · 理性思考

你的手機(jī)發(fā)燙時(shí)，能量正在宏觀世界流失。但在納米尺度，電子器件如何"浪費(fèi)"能量、能否避免這種浪費(fèi)，長(zhǎng)期籠罩在迷霧中。斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)近日在《自然·物理》發(fā)表突破性成果：他們首次在真實(shí)材料系統(tǒng)中測(cè)得量子點(diǎn)的"熵產(chǎn)生"（entropy production）。這項(xiàng)測(cè)量將微觀不可逆過(guò)程量化，為未來(lái)計(jì)算機(jī)的能耗極限劃定了物理邊界。

熵產(chǎn)生是熱力學(xué)核心概念。它描述一個(gè)過(guò)程距離"可逆"有多遠(yuǎn)——數(shù)值越大，能量耗散越嚴(yán)重，信息擦除的代價(jià)越高。宏觀世界里，我們可以通過(guò)溫度、壓力變化計(jì)算熵變。但當(dāng)系統(tǒng)縮小到納米尺度，傳統(tǒng)測(cè)量工具集體失效。 原子級(jí)漲落主導(dǎo)一切，系統(tǒng)永遠(yuǎn)處于"非平衡態(tài)"，經(jīng)典熱力學(xué)假設(shè)土崩瓦解。

量子點(diǎn)成為突破口。這些幾納米的半導(dǎo)體晶體是理想的微觀實(shí)驗(yàn)室。研究人員利用其獨(dú)特的"閃爍"現(xiàn)象：當(dāng)激光照射時(shí)，量子點(diǎn)會(huì)隨機(jī)在"亮態(tài)"與"暗態(tài)"之間切換。這種切換本身就是非平衡過(guò)程，涉及載流子捕獲、復(fù)合等原子級(jí)運(yùn)動(dòng)。 團(tuán)隊(duì)通過(guò)施加外電場(chǎng)，人為誘導(dǎo)出特定的非平衡統(tǒng)計(jì)模式。亮與暗的每一次切換，都在微觀層面"記賬"著能量耗散和信息損失。

測(cè)量熵產(chǎn)生是公認(rèn)的硬骨頭。理論模型往往假設(shè)理想?yún)?shù)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)卻充滿噪聲。過(guò)去十年，非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究被理論主導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證寸步難行。

斯坦福團(tuán)隊(duì)采用"混合策略"破局。首先，計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法追蹤單個(gè)量子點(diǎn)的閃爍軌跡，捕捉每一次狀態(tài)切換的時(shí)間戳。隨后，機(jī)器學(xué)習(xí)介入優(yōu)化。算法基于隨機(jī)熱力學(xué)框架，調(diào)整物理模型的自由參數(shù)，使理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合。 優(yōu)化后的模型反推出熵產(chǎn)生率。

這項(xiàng)突破發(fā)生在美國(guó)，但中國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的積累同樣深厚。在量子點(diǎn)材料本身，浙江大學(xué)彭笑剛團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期引領(lǐng)膠體量子點(diǎn)合成化學(xué)，其開(kāi)發(fā)的合成方法被國(guó)際同行廣泛采用，為這類實(shí)驗(yàn)提供了材料基礎(chǔ)。

在非平衡統(tǒng)計(jì)物理領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室均有布局。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在開(kāi)放量子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面成果顯著，其研究涉及非平衡過(guò)程中的量子熱力學(xué)。清華大學(xué)物理系在量子熱機(jī)、量子測(cè)量中的能量耗散等方向也有系列進(jìn)展。

值得關(guān)注的是，國(guó)內(nèi)學(xué)界正加速"理論-實(shí)驗(yàn)"融合。2024年，中科院物理所團(tuán)隊(duì)利用金剛石NV色心（另一種量子缺陷體系）實(shí)現(xiàn)了非平衡過(guò)程的精密測(cè)量，與本次斯坦福工作在技術(shù)路線上異曲同工。此外，將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于量子系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)，已成為中科大、北大量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)工具。中國(guó)在該領(lǐng)域并不缺位，而是在量子點(diǎn)材料制備、非平衡理論、量子熱力學(xué)三個(gè)維度并行推進(jìn)。

此次測(cè)量的意義超越基礎(chǔ)物理。熵產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)設(shè)備的終極速度極限和熱力學(xué)效率。當(dāng)科學(xué)家能精確量化納米器件的能量耗散，他們就能回答：特定計(jì)算操作最低需要多少能量？芯片開(kāi)關(guān)頻率的理論上限在哪里？

當(dāng)前，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨能效危機(jī)。傳統(tǒng)縮放接近物理極限，每平方毫米芯片散發(fā)的熱量成為瓶頸。斯坦福的技術(shù)路線——將量子點(diǎn)作為探針，用AI解析非平衡過(guò)程——或許能幫助我們重新設(shè)計(jì)晶體管、存儲(chǔ)單元乃至量子比特的能量利用方式。微觀世界的"電費(fèi)單"已經(jīng)開(kāi)出，下一步就是學(xué)習(xí)如何省電。

Shen, Y., et al. Non-equilibrium entropy production and information dissipation in a non-Markovian quantum dot. Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03177-8

Stanford University. "Quantum dots reveal entropy production, a key measure of nanoscale energy dissipation." Phys.org, 9 February 2026.