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我院量子调控团队教师在量子热机判定领域的合作研究中取得重要进展

作者:陈涛时间:2022-03-10 17:17浏览次数:

我院量子调控团队教师在量子热机判定领域的合作研究中取得重要进展。近日,国际物理学顶级期刊Physical Review Letters在线发表了中国科学技术大学和湖南师范大学合作完成题为“Spin Quantum Heat Engine Quantified by Quantum Steering”的文章。该工作证明了热机模型-希拉德热机中,热库与工作介质之间的量子导引特性的检验可以用于区分经典希拉德热机和量子希拉德热机,表明两者之间的量子导引性质是量子希拉德热机具有量子优势的来源。相关研究为解决量子信息科学与量子热力学之间的关键问题提供了新的思路。文章被遴选为编辑推荐(Editors’ Suggestion)和Featured in Physics亮点文章(highlighted article)。《物理》(Physics)亦以“Synopsis”形式做题为“Steering Toward a Quantum Advantage”的评论和报道。

近些年来,微观尺度下热机问题引起了越来越多的关注。以往的研究更多的是关注工作介质的量子特性对于热机性质的影响。虽然研究表明工作介质量子系统的量子相干性可能发挥重要作用,但是另一部分研究示其作用仍存在争议,没有明确的结论。因此量子热机的内在量子优势的完整理解仍然是难以捉摸的。有别于以往的研究路径,该工作将研究视角聚焦于工作介质和环境之间的量子关联,研究发现一种特殊的量子关联-量子导引在量子希拉德热机中发挥关键作用。

众所周知,麦克斯韦妖悖论是衔接热力学与信息学的重要基础问题。希拉德热机模型是由希拉德博士根据与麦克斯韦类似的想法,提出的一个研究利用麦克斯韦妖操控一个单分子的热机模型。小妖精通过测量,了解分子所处的位置是在左侧还是右侧,并最终实现做功,即希拉德热机实现了从随机状态中利用测量得到的信息获取能量。这种信息到能量的转换启发我们将量子信息和热力学联系起来。

在本工作中,研究人员构建了一个量子版本的希拉德热机模型,工作介质是一个量子比特。妖精并非直接测量工作介质的量子态,而是通过测量与工作介质存在关联的环境量子比特,获取工作介质的信息,并实现功提取。通过研究工作介质系统与环境之间的关联,我们发现量子导引——一种非对称的量子关联——与热机做功的大小有密切的关系。量子导引是由埃尔温·薛定谔于1935年最先提出的基础量子关联概念之一。当妖精可以“导引”工作介质时,希拉德热机可以提取更多的功。存在量子导引的希拉德热机(量子)与不存在量子导引的希拉德热机(经典)可以通过一个优化的导引不等式有效区分,该不等式由工作介质上不同功提取方式的平均功表示。研究结果表明,量子导引不等式破坏越大,量子希拉德热机的功提取不等式破坏(用于衡量做功超越经典极限的大小)就越大,也就更加体现出量子优越性。研究人员基于金刚石氮-空位色心体系实验实现了上述量子希拉德热机。本工作以希拉德热机为例,展示了量子热机中量子关联的独特作用,为建立量子信息和量子热力学的桥梁提供了新的思路。

中国科学技术大学杜江峰院士、王亚教授和我院任昌亮教授(理论)为共同通讯作者,中国科学技术大学季文韬、柴梓华与王孟祺为本工作共同第一作者。此项研究得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、安徽省和湖南省的资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.090602

美国物理学会Physics杂志报道: https://physics.aps.org/articles/v15/s28

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