探索宇宙奥秘 · 理性思考
你的手机发烫时，能量正在宏观世界流失。但在纳米尺度，电子器件如何"浪费"能量、能否避免这种浪费，长期笼罩在迷雾中。斯坦福大学团队近日在《自然·物理》发表突破性成果：他们首次在真实材料系统中测得量子点的"熵产生"（entropy production）。这项测量将微观不可逆过程量化，为未来计算机的能耗极限划定了物理边界。
熵产生是热力学核心概念。它描述一个过程距离"可逆"有多远——数值越大，能量耗散越严重，信息擦除的代价越高。宏观世界里，我们可以通过温度、压力变化计算熵变。但当系统缩小到纳米尺度，传统测量工具集体失效。 原子级涨落主导一切，系统永远处于"非平衡态"，经典热力学假设土崩瓦解。
量子点成为突破口。这些几纳米的半导体晶体是理想的微观实验室。研究人员利用其独特的"闪烁"现象：当激光照射时，量子点会随机在"亮态"与"暗态"之间切换。这种切换本身就是非平衡过程，涉及载流子捕获、复合等原子级运动。 团队通过施加外电场，人为诱导出特定的非平衡统计模式。亮与暗的每一次切换，都在微观层面"记账"着能量耗散和信息损失。
测量熵产生是公认的硬骨头。理论模型往往假设理想参数，真实实验却充满噪声。过去十年，非平衡统计力学研究被理论主导，实验验证寸步难行。
斯坦福团队采用"混合策略"破局。首先，计算机视觉算法追踪单个量子点的闪烁轨迹，捕捉每一次状态切换的时间戳。随后，机器学习介入优化。算法基于随机热力学框架，调整物理模型的自由参数，使理论预测与实验数据拟合。 优化后的模型反推出熵产生率。
这项突破发生在美国，但中国在相关领域的积累同样深厚。在量子点材料本身，浙江大学彭笑刚团队长期引领胶体量子点合成化学，其开发的合成方法被国际同行广泛采用，为这类实验提供了材料基础。
在非平衡统计物理领域，中国科学院物理研究所、中国科学技术大学量子信息重点实验室均有布局。中科大郭光灿院士团队在开放量子系统动力学方面成果显著，其研究涉及非平衡过程中的量子热力学。清华大学物理系在量子热机、量子测量中的能量耗散等方向也有系列进展。
值得关注的是，国内学界正加速"理论-实验"融合。2024年，中科院物理所团队利用金刚石NV色心（另一种量子缺陷体系）实现了非平衡过程的精密测量，与本次斯坦福工作在技术路线上异曲同工。此外，将机器学习应用于量子系统参数估计，已成为中科大、北大量子计算实验室的标准工具。中国在该领域并不缺位，而是在量子点材料制备、非平衡理论、量子热力学三个维度并行推进。
此次测量的意义超越基础物理。熵产生直接关联设备的终极速度极限和热力学效率。当科学家能精确量化纳米器件的能量耗散，他们就能回答：特定计算操作最低需要多少能量？芯片开关频率的理论上限在哪里？
当前，全球半导体产业面临能效危机。传统缩放接近物理极限，每平方毫米芯片散发的热量成为瓶颈。斯坦福的技术路线——将量子点作为探针，用AI解析非平衡过程——或许能帮助我们重新设计晶体管、存储单元乃至量子比特的能量利用方式。微观世界的"电费单"已经开出，下一步就是学习如何省电。
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.
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