近日，理學院青年教師劉康橋在物理與天體物理領域TOP期刊Communications Physics(中科院1區TOP，IF：5.4) 期刊發表題為“Dynamical activity universally bounds precision of response in Markovian nonequilibrium systems”的研究性論文。西華大學理學院劉康橋博士為該論文的第一作者與共同通訊作者，成都教育科學研究院古杰博士為論文的共同通訊作者。西華大學為該論文的第一完成單位。該研究發表后引發廣泛關注，受Nature集團Nature Portfolio Communities的邀請，在“Behind the Paper”欄目撰稿分享研究經歷。

論文截圖

熱力學第二定律指出，孤立宏觀系統的總熵隨著時間的推移永遠不會減少。然而，現實中大多數系統都受到顯著的漲落和耗散的影響。因此，它們通常處于非平衡狀態，例如納米機器或生化系統。在這種情況下，傳統的平衡熱力學框架變得不再適用。過去三十年來，隨機熱力學得到了極大的發展，為理解遠離平衡狀態下的耗散和熱漲落提供了一個通用框架。

最近，在隨機熱力學框架中發現了熱力學不確定性關系（TUR），它規定對于一個非平衡的馬爾可夫跳躍過程，非平衡電流可觀測量J（如熱流或電荷流等）的精度下界受到由熵產生（EP）所表征的熱力學耗散的限制。然而，僅靠耗散可能不足以完全限制系統的漲落，對于遠離平衡的系統，一個關鍵的非耗散度量是動力學活性（DA），它表示在隨機過程中狀態躍遷的頻率，從而表征了系統的動力學。與TUR并行，已經證明流的精度也受到動力學不確定性關系（KUR）的限制。與此同時，除了經典的漲落-耗散關系外，表征非平衡系統對外部擾動的靜態響應的基本原理的研究也取得了豐碩的成果。

三態模型在時間t的弛豫過程中，時間積分流的蒙特卡羅模擬

一個自然而引人注目的問題隨之而來：是否存在以動力學活性（DA）為基準的R-TUR對應物？換句話說，響應的精度與非平衡過程中的流量之間是否存在基本的關系？

該研究通過建立嚴格的響應動力學不確定性關系（R-KUR）來回答上述問題——這是一種一般的可觀測量對任意擾動的響應精度與動力學活性（DA）之間的權衡，它是R-TUR的補充但更為普適。與僅適用于時間無關的馬爾可夫過程穩態和流的R-TUR相比，該研究的R-KUR可以應用于任意馬爾可夫跳躍過程，并且不需要對驅動速度或觀察時間進行擾動，使其在應用中更加通用。此外，R-KUR適用于任何可以用主方程描述的過程，而不限于熱力學系統。

一維有偏隨機行走者中，以耗散-活性比率作為函數的R-TURs和R-KURs的界效率η的數值模擬

該研究證明R-KUR的廣泛適用性凸顯了它在從生化過程（如生化傳感、開關和分子馬達）到遠離平衡操作的工程納米結構等多個領域的潛在應用，研究結果的一大特點是所有相關量都可以通過隨機跳躍的統計數據在實驗中進行測量。

作者簡介：

劉康橋，理學博士，講師。2023年12月起任教于西華大學理學院，主要從事非平衡物理與深度學習算法的基礎理論研究。已在國際學術期刊發表SCI論文3篇，國際會議發表論文3篇，總被引234次，H因子4。以第一/通訊作者在Physical Review Letters（IF = 9.185，中科院1區TOP）發表論文1篇，在Communications Physics(IF = 5.4，中科院1區TOP)發表論文1篇，在機器學習國際頂級會議ICML與ICLR發表論文各1篇。長期擔任Physical Review Letters, Physical Review Research, Physical Review E等期刊與NeurIPS, ICLR, ICML等會議審稿人。