精密測量院等在量子引擎實(shí)驗探索方面獲進(jìn)展
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中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng )新研究院束縛體系量子信息處理研究組與廣州工業(yè)技術(shù)研究院等合作，基于超冷40Ca+離子實(shí)驗平臺，實(shí)驗探索了糾纏作為一種量子資源對量子引擎的影響。實(shí)驗結果顯示，量子引擎在其工作物質(zhì)處于糾纏狀態(tài)時(shí)能夠輸出更多的有用功，表明糾纏可作為“燃料”使用。
糾纏在信息處理過(guò)程中是特有的量子資源，可以加快計算速度、保證通信中的信息安全以及提高測量的精度。當前，關(guān)于糾纏在能量轉換和使用方面是否可以發(fā)揮作用尚不完全清楚；具有糾纏特性的量子引擎是否優(yōu)于經(jīng)典引擎以及在何種條件下發(fā)生尚無(wú)定論。同時(shí)，鮮有關(guān)于以量子糾纏系統為工作物質(zhì)的量子引擎的實(shí)驗研究，亦未有定量的實(shí)驗驗證。
該研究組以穩定束縛在離子阱中的超冷40Ca+離子為工作物質(zhì)，設計了具有糾纏特性的量子引擎。該量子引擎帶有一個(gè)量子負載。它由離子所共有的一個(gè)量子振動(dòng)模式來(lái)充當?？蒲腥藛T利用熱力學(xué)循環(huán)使該量子引擎將激光的光子能量通過(guò)工作物質(zhì)（離子）轉化為量子負載的聲子能量，并定義了轉換效率。進(jìn)而，為了估算這些轉化的能量有多少是可以提取的能量即有用功，研究人員定義了機械效率。
為了驗證糾纏在量子引擎中的作用，該研究通過(guò)調整工作物質(zhì)的糾纏度來(lái)定量評估量子引擎的性能。實(shí)驗中，研究通過(guò)精準操控激光來(lái)控制糾纏邏輯門(mén)操作的時(shí)間，以獲得不同糾纏度的工作物質(zhì)。同時(shí)，研究通過(guò)測量工作物質(zhì)中被吸收的光子數和負載中增加的聲子數，得到了不同糾纏度下的轉換效率和機械效率。實(shí)驗表明，機械效率的最大值出現在工作物質(zhì)為最大糾纏處，但轉換效率幾乎不受糾纏度的影響。實(shí)驗數據分析表明，量子引擎在其工作物質(zhì)處于糾纏態(tài)時(shí)能夠輸出更多的有用功；而量子引擎的轉換效率與糾纏無(wú)關(guān)，也與有用功的輸出無(wú)關(guān)。
該成果為糾纏能夠在量子引擎中起到“燃料”的作用提供了實(shí)驗證據，并表明了量子引擎的研發(fā)應更多地關(guān)注機械效率而不是轉換效率。上述成果為研發(fā)量子馬達和量子電池等微觀(guān)能源器件提供了新視角。
近日，相關(guān)研究成果以Energy-Conversion Device Using a Quantum Engine with the Work Medium of Two-Atom Entanglement為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金等的支持。
