近日，精密測量院束縛體系量子信息處理研究組與廣州工業(yè)技術(shù)研究院等研究機構合作，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于量子引擎的影響。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)能輸出更多的有用功，表明糾纏可以作為一種“燃料”使用。該研究成果于2024年4月30日在物理學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Physical Review Letters》上發(fā)表。

糾纏在信息處理過(guò)程中是一種特有的量子資源，它能加快計算速度、保證通信中的信息安全以及提高測量的精度。但是，目前對于糾纏是否在能量轉換和使用方面也能發(fā)揮作用仍不完全清楚。具有糾纏特性的量子引擎是否可能優(yōu)于經(jīng)典引擎，以及在何種條件下發(fā)生這種情況，尚無(wú)定論。以量子糾纏系統為工作物質(zhì)的量子引擎的實(shí)驗研究更是缺少，且從未有定量的實(shí)驗驗證。

該研究組研究人員以穩定束縛在離子阱中的超冷⁴⁰Ca⁺離子為工作物質(zhì)，設計了一個(gè)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。研究人員利用巧妙的熱力學(xué)循環(huán)，讓該量子引擎把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，由此定義了轉換效率。另外，為了估算這些轉化的能量中有多少是可以提取的能量（即有用功），研究人員還定義了機械效率。按照通常的理解，一個(gè)性能優(yōu)越的引擎應該具有高的轉換效率和高的機械效率。

為了驗證糾纏在量子引擎中的作用，研究人員通過(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，研究人員通過(guò)精準操控激光來(lái)控制糾纏邏輯門(mén)操作的時(shí)間，由此獲得不同糾纏度的工作物質(zhì)。同時(shí)，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，研究人員得到了不同糾纏度下的轉換效率和機械效率，如圖一所示。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。針對實(shí)驗數據的進(jìn)一步分析表明，量子引擎在其工作物質(zhì)處于糾纏態(tài)時(shí)能輸出更多的有用功；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)。

系統特征參數的時(shí)間演化

(a)離子的能級布居數和糾纏度隨時(shí)間的演化

(b)聲子和糾纏度隨時(shí)間的演化

（c，d）能量轉換效率和機械效率分別與糾纏度隨時(shí)間變化

圖中點(diǎn)為實(shí)驗數據，線(xiàn)為理論擬合，誤差棒表示10,000次量子測量的統計標準差

該研究成果為糾纏能夠在量子引擎中起到“燃料”的作用提供了重要的實(shí)驗證據，同時(shí)也說(shuō)明量子引擎的研發(fā)應該更多地關(guān)注機械效率，而不是轉換效率。這一結論也為研發(fā)量子馬達和量子電池等微觀(guān)能源器件提供了新的視角，即利用工作物質(zhì)的糾纏特性提升其最大可提取能量。

該研究以“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。論文的第一作者為博士后章嘉偉，博士生王彬、袁文飛和李加沖；通訊作者為副研究員周飛和研究員馮芒。

該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、中國博士后基金項目和廣州市多項基金項目的資助。

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