近日，理学院青年教师刘康桥在物理与天体物理领域TOP期刊Communications Physics(中科院1区TOP，IF：5.4) 期刊发表题为“Dynamical activity universally bounds precision of response in Markovian nonequilibrium systems”的研究性论文。西华大学理学院刘康桥博士为该论文的第一作者与共同通讯作者，成都教育科学研究院古杰博士为论文的共同通讯作者。西华大学为该论文的第一完成单位。该研究发表后引发广泛关注，受Nature集团Nature Portfolio Communities的邀请，在“Behind the Paper”栏目撰稿分享研究经历。
论文截图
热力学第二定律指出，孤立宏观系统的总熵随着时间的推移永远不会减少。然而，现实中大多数系统都受到显著的涨落和耗散的影响。因此，它们通常处于非平衡状态，例如纳米机器或生化系统。在这种情况下，传统的平衡热力学框架变得不再适用。过去三十年来，随机热力学得到了极大的发展，为理解远离平衡状态下的耗散和热涨落提供了一个通用框架。
最近，在随机热力学框架中发现了热力学不确定性关系（TUR），它规定对于一个非平衡的马尔可夫跳跃过程，非平衡电流可观测量J（如热流或电荷流等）的精度下界受到由熵产生（EP）所表征的热力学耗散的限制。然而，仅靠耗散可能不足以完全限制系统的涨落，对于远离平衡的系统，一个关键的非耗散度量是动力学活性（DA），它表示在随机过程中状态跃迁的频率，从而表征了系统的动力学。与TUR并行，已经证明流的精度也受到动力学不确定性关系（KUR）的限制。与此同时，除了经典的涨落-耗散关系外，表征非平衡系统对外部扰动的静态响应的基本原理的研究也取得了丰硕的成果。
三态模型在时间t的弛豫过程中，时间积分流的蒙特卡罗模拟
一个自然而引人注目的问题随之而来：是否存在以动力学活性（DA）为基准的R-TUR对应物？换句话说，响应的精度与非平衡过程中的流量之间是否存在基本的关系？
该研究通过建立严格的响应动力学不确定性关系（R-KUR）来回答上述问题——这是一种一般的可观测量对任意扰动的响应精度与动力学活性（DA）之间的权衡，它是R-TUR的补充但更为普适。与仅适用于时间无关的马尔可夫过程稳态和流的R-TUR相比，该研究的R-KUR可以应用于任意马尔可夫跳跃过程，并且不需要对驱动速度或观察时间进行扰动，使其在应用中更加通用。此外，R-KUR适用于任何可以用主方程描述的过程，而不限于热力学系统。
一维有偏随机行走者中，以耗散-活性比率作为函数的R-TURs和R-KURs的界效率η的数值模拟
该研究证明R-KUR的广泛适用性凸显了它在从生化过程（如生化传感、开关和分子马达）到远离平衡操作的工程纳米结构等多个领域的潜在应用，研究结果的一大特点是所有相关量都可以通过随机跳跃的统计数据在实验中进行测量。
作者简介：
刘康桥，理学博士，讲师。2023年12月起任教于西华大学理学院，主要从事非平衡物理与深度学习算法的基础理论研究。已在国际学术期刊发表SCI论文3篇，国际会议发表论文3篇，总被引234次，H因子4。以第一/通讯作者在Physical Review Letters（IF = 9.185，中科院1区TOP）发表论文1篇，在Communications Physics(IF = 5.4，中科院1区TOP)发表论文1篇，在机器学习国际顶级会议ICML与ICLR发表论文各1篇。长期担任Physical Review Letters, Physical Review Research, Physical Review E等期刊与NeurIPS, ICLR, ICML等会议审稿人。
