Precision Measurement Institute und andere machen Fortschritte bei der experimentellen Erforschung von Quantenmotoren

Die Bound System Quantum Information Processing Research Group des Institute of Precision Measurement Science and Technological Innovation der Chinese Academy of Sciences (IPMSI) hat in Zusammenarbeit mit dem Guangzhou Industrial Technology Research Institute (GITRI) und anderen die Wirkung der Verschränkung als Quantenressource auf einen Quantenmotor auf Basis der Ultracold 40Ca+ Ion Experimental Platform experimentell untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Quantenmotor mehr Nutzarbeit leisten kann, wenn sich seine Arbeitsmaterie im verschränkten Zustand befindet, was darauf hindeutet, dass Verschränkung als „Treibstoff“ verwendet werden kann.
Verschränkung ist eine einzigartige Quantenressource in der Informationsverarbeitung, die Berechnungen beschleunigen, die Informationssicherheit in der Kommunikation gewährleisten und die Messgenauigkeit verbessern kann. Derzeit ist nicht ganz klar, ob Verschränkung bei der Energieumwandlung und -nutzung eine Rolle spielen kann; ob Quantenmaschinen mit Verschränkungseigenschaften klassischen Maschinen überlegen sind und unter welchen Bedingungen dies der Fall ist, ist nicht schlüssig. Gleichzeitig gibt es nur wenige experimentelle Studien zu Quantenmaschinen mit quantenverschränkten Systemen als Arbeitsmaterial, und es gibt keine quantitative experimentelle Überprüfung.
Die Gruppe entwarf eine Quantenmaschine mit Verschränkungseigenschaften, die als Arbeitsmaterial ultrakalte 40Ca+-Ionen verwendet, die stabil in einer Ionenfalle gebunden sind. Die Quantenmaschine trägt eine Quantenlast. Sie wird durch einen von den Ionen geteilten Quantenschwingungsmodus gefüllt. Die Forscher verwendeten einen thermodynamischen Zyklus, um die Quantenmaschine dazu zu bringen, die Photonenenergie des Lasers durch das Arbeitsmaterial (das Ion) in die Phononenenergie der Quantenlast umzuwandeln, und definierten die Umwandlungseffizienz. Um abzuschätzen, wie viel dieser umgewandelten Energie extrahierbare Energie, also Nutzarbeit, ist, definierten die Forscher außerdem die mechanische Effizienz.
Um die Rolle der Verschränkung in Quantenmaschinen zu überprüfen, bewertete die Studie die Leistung von Quantenmaschinen quantitativ, indem sie die Verschränkung der Arbeitsmaterie anpasste. Im Experiment kontrollierte die Studie den Zeitpunkt des Betriebs des Verschränkungslogik-Gatters, indem sie den Laser präzise manipulierte, um Arbeitsmaterie mit unterschiedlichen Verschränkungsgraden zu erhalten. Gleichzeitig ermittelte die Studie die Umwandlungseffizienz und die mechanische Effizienz bei unterschiedlichen Verschränkungsgraden, indem sie die Anzahl der in der Arbeitsmaterie absorbierten Photonen und die Anzahl der in der Ladung hinzugefügten Phononen maß. Die Experimente zeigen, dass der Maximalwert der mechanischen Effizienz an dem Punkt auftritt, an dem die Arbeitsmaterie maximal verschränkt ist, die Umwandlungseffizienz jedoch vom Grad der Verschränkung nahezu unbeeinflusst bleibt. Die Analyse der experimentellen Daten zeigt, dass die Quantenmaschine mehr Nutzarbeit leisten kann, wenn sich ihre Arbeitsmaterie im verschränkten Zustand befindet; und die Umwandlungseffizienz der Quantenmaschine ist unabhängig von der Verschränkung sowie der Leistung an Nutzarbeit.
Dieses Ergebnis liefert experimentelle Beweise dafür, dass Verschränkung die Rolle des „Treibstoffs“ in Quantenmotoren spielen kann, und legt nahe, dass bei der Forschung und Entwicklung von Quantenmotoren mehr Wert auf die mechanische Effizienz als auf die Umwandlungseffizienz gelegt werden sollte. Diese Ergebnisse bieten eine neue Perspektive für die Entwicklung mikroskopischer Energiegeräte wie Quantenmotoren und Quantenbatterien.