中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)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(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)探索了糾纏作為一種量子資源對(duì)量子引擎的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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。

糾纏在信息處理過程中是特有的量子資源，可以加快計(jì)算速度、保證通信中的信息安全以及提高測(cè)量的精度。當(dāng)前，關(guān)于糾纏在能量轉(zhuǎn)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)生尚無定論。同時(shí)，鮮有關(guān)于以量子糾纏系統(tǒng)為工作物質(zhì)的量子引擎的實(shí)驗(yàn)研究，亦未有定量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

該研究組以穩(wěn)定束縛在離子阱中的超冷⁴⁰Ca⁺離子為工作物質(zhì)，設(shè)計(jì)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(fù)載。它由離子所共有的一個(gè)量子振動(dòng)模式來充當(dāng)?？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工作物質(zhì)（離子）轉(zhuǎn)化為量子負(fù)載的聲子能量，并定義了轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)而，為了估算這些轉(zhuǎn)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(jī)械效率。

為了驗(yàn)證糾纏在量子引擎中的作用，該研究通過調(diào)整工作物質(zhì)的糾纏度來定量評(píng)估量子引擎的性能。實(shí)驗(yàn)中，研究通過精準(zhǔn)操控激光來控制糾纏邏輯門操作的時(shí)間，以獲得不同糾纏度的工作物質(zhì)。同時(shí)，研究通過測(cè)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)，得到了不同糾纏度下的轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械效率。實(shí)驗(yàn)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。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換效率與糾纏無關(guān)，也與有用功的輸出無關(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(yàn)證據(jù)，并表明了量子引擎的研發(fā)應(yīng)更多地關(guān)注機(jī)械效率而不是轉(zhuǎn)換效率。上述成果為研發(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(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接