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(jī)構(gòu)合作，基于超冷⁴⁰Ca⁺離子實驗平臺，實驗探索了糾纏作為一種量子資源對于量子引擎的影響。實驗結(jié)果顯示：量子引擎在其工作物質(zhì)處于糾纏狀態(tài)時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(zhuǎn)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，尚無定論。以量子糾纏系統(tǒng)為工作物質(zhì)的量子引擎的實驗研究更是缺少，且從未有定量的實驗驗證。

該研究組研究人員以穩(wěn)定束縛在離子阱中的超冷⁴⁰Ca⁺離子為工作物質(zhì)，設(shè)計了一個具有糾纏特性的量子引擎。該量子引擎帶有一個量子負(fù)載，它由離子所共有的一個量子振動模式來充當(dāng)。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工作物質(zhì)（離子）轉(zhuǎn)化為量子負(fù)載的聲子能量，由此定義了轉(zhuǎn)換效率。另外，為了估算這些轉(zhuǎn)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(jī)械效率。按照通常的理解，一個性能優(yōu)越的引擎應(yīng)該具有高的轉(zhuǎn)換效率和高的機(jī)械效率。

為了驗證糾纏在量子引擎中的作用，研究人員通過調(diào)整工作物質(zhì)的糾纏度來定量評估量子引擎的性能。實驗中，研究人員通過精準(zhǔn)操控激光來控制糾纏邏輯門操作的時間，由此獲得不同糾纏度的工作物質(zhì)。同時，通過測量工作物質(zhì)中被吸收的光子數(shù)和負(fù)載中增加的聲子數(shù)，研究人員得到了不同糾纏度下的轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械效率，如圖一所示。實驗表明，機(jī)械效率的最大值出現(xiàn)在工作物質(zhì)為最大糾纏處，但轉(zhuǎn)換效率幾乎不受糾纏度的影響。針對實驗數(shù)據(jù)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)時能輸出更多的有用功；而量子引擎的轉(zhuǎn)換效率與糾纏無關(guān)，也與有用功的輸出無關(guān)。

系統(tǒng)特征參數(shù)的時間演化

(a)離子的能級布居數(shù)和糾纏度隨時間的演化

(b)聲子和糾纏度隨時間的演化

（c，d）能量轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械效率分別與糾纏度隨時間變化

圖中點(diǎn)為實驗數(shù)據(jù)，線為理論擬合，誤差棒表示10,000次量子測量的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差

該研究成果為糾纏能在量子引擎中起到“燃料”的作用提供了重要的實驗證據(jù)，同時也說明量子引擎的研發(fā)應(yīng)該更多地關(guān)注機(jī)械效率，而不是轉(zhuǎn)換效率。這一結(jié)論也為研發(fā)量子馬達(dá)和量子電池等微觀能源器件提供了新的視角，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、袁文飛和李加沖為；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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