Original 有理想 爱光学 2022-10-23 11:00 Posted on 湖北
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近日，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队，在实验模拟量子引擎方向上取得重要进展：利用单光子模拟了以量子纠缠和测量为燃料的新型两量子比特引擎。
研究成果以“Experimental demonstration of a quantum engine driven by entanglement and local measurements”为题，于2022年9月22日以快报（Letter）的形式发表于Physical Review Research。
经典引擎是一种循环式的能量转换装置，其可以从热源吸收能量并转换为机械能对外做功，因此引擎是各类发动装置的核心部分，为设备运行提供动力。与经典引擎目的相同，量子引擎以微观粒子为工作介质，相应能量传输与转换服从量子力学基本原理，其在工作方式上与经典引擎存在巨大区别；利用量子效应或量子资源，量子引擎还有望打破经典引擎能量转换效率极限，增加能量利用率；对其研究，更可以进一步理解物质间能量转换本质，发展出微观能量操控新技术，展现量子优势，解决诸多能源物理问题。
区别于经典测量，量子测量不仅能够提取系统状态信息，引起熵增，还会导致系统态塌缩，引起系统能量变化。因此类比于经典引擎中的热源，量子测量可以作为量子引擎工作过程中熵和能量的来源。量子世界区别于经典世界的另一特征是纠缠的存在，量子纠缠作为一种资源，是展现量子优势，实现变革性量子技术的重要因素。当量子纠缠与测量相结合，对两体纠缠系统的一方进行测量，一方态的塌缩，也会引起另一方态的相应改变，这种反常量子现象也被爱因斯坦解释为量子世界中“幽灵般的超巨作用”。
结合量子纠缠与测量，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队利用单光子、实验模拟了一个量子纠缠和测量驱动的两量子比特引擎。
图1 量子纠缠和测量驱动两量子比特引擎工作原理示意图
整个两量子比特引擎的循环工作可以分为四个冲程：首先，处于激发态的A量子比特与处于基态的B量子比特经过相互作用演化，产生纠缠；随后，对B量子比特进行瞬时测量，提取信息并输入能量；再根据测量结果进行反馈操作，提取功；最后通过擦除测量所产生的信息存储，恢复引擎及存储到初始状态以进入下一循环。
实验利用参量下转换产生的单光子的路径与偏振编码两量子比特，通过波片及偏振分束器实现的路径与偏振编码的两量子比特信息处理器，将相互作用演化中参数及演化时间的调控映射到对波片旋转角度的调控，精准调制相互作用演化各个参数，实现两量子比特相互作用演化，产生纠缠；对于量子测量的实现，实验引入辅助路径编码指针量子比特，通过B量子比特与指针量子比特之间的可控演化实现对B量子比特的测量，并将测量结果存储在指针量子比特；对于反馈操作过程，需根据指针比特所处状态对A，B两量子比特进行反馈式翻转操作或不操作，实验通过实现指针量子比特与A，B两量子比特之间的可控操作实现了该过程。
实验模拟了上述量子引擎工作中三个冲程，并对这些过程中测量输入的能量和熵进行了定量分析，还对量子引擎的功转换效率与测量提取的信息量之间的关系进行了研究。
图2 单光子模拟两量子比特引擎实验装置图
图3 实验结果图
实验结果表明，测量输入的能量与纠缠演化过程中两量子比特之间产生的负关联能量相对应，其大小在两量子比特之间的耦合强度远大于失谐量时达到最大；固定两量子比特间的失谐量，当耦合强度达到足够大时，测量可以在不引起熵增的情况下输入能量。实验还模拟了在存在不同测量误差下，引擎的功转换效率与测量获得的信息之间的关系。结果表明，当测量没有错误几率时，测量输入的能量可以完全转换为功，功转换效率达到最高；随着测量发生错误几率越大，获取的信息越低，功转换效率越低。
值得注意的是，当测量完全提取不到任何信息时，该量子引擎依然可以在一定参数区间内实现功的提取。
基于以上测量驱动机制，实验还将装置扩展到实现N个量子比特链中能量的上转换，发现当链中相邻量子比特间耦合强度或链的长度趋于无穷时，N个量子比特链中最左侧较低能级的激发态，在测量不断输入能量的情况下，可确定性地传输到链最右侧对应较高能级的激发态上。
该研究工作，使用单光子首次模拟了测量和纠缠驱动的两量子比特引擎，其结果不仅可以进一步加深对测量和纠缠在实现量子引擎中物理机制的理解，实验所采用的方法还可以应用于其他物理体系，推动人们对量子引擎的进一步探索。
论文一经发表引起重大反响，受到国际科技新闻杂志《新科学家（New Scientist）》的采访与跟踪报道。上述研究得到了国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.L032042
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