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⁺離子實驗平臺，實驗探索了糾纏作為一種量子資源對量子引擎的影響。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，可以加快計算速度、保證通信中的信息安全以及提高測量的精度。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，鮮有關(guān)于以量子糾纏系統(tǒng)為工作物質(zhì)的量子引擎的實驗研究，亦未有定量的實驗驗證。

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)計了具有糾纏特性的量子引擎。該量子引擎帶有一個量子負載。它由離子所共有的一個量子振動模式來充當(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)化為量子負載的聲子能量，并定義了轉(zhuǎn)換效率。進而，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，研究人員定義了機械效率。

為了驗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)的糾纏度來定量評估量子引擎的性能。實驗中，研究通過精準(zhǔn)操控激光來控制糾纏邏輯門操作的時間，以獲得不同糾纏度的工作物質(zhì)。同時，研究通過測量工作物質(zhì)中被吸收的光子數(shù)和負載中增加的聲子數(shù)，得到了不同糾纏度下的轉(zhuǎn)換效率和機械效率。實驗表明，機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。實驗數(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”的作用提供了實驗證據(jù)，并表明了量子引擎的研發(fā)應(yīng)更多地關(guān)注機械效率而不是轉(zhuǎn)換效率。上述成果為研發(fā)量子馬達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。

論文鏈接