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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室杜江峰、王亞等人在金剛石氮-空位色心體系構建的量子希拉德熱機上實(shí)驗展示了量子關(guān)聯(lián)導致的量子優(yōu)越性。這項研究成果以“Spin Quantum Heat Engine Quantified by Quantum Steering”為題發(fā)表在近期的《物理學(xué)評論快報》 [Phys. Rev. Lett. 128, 090602 (2022)] 上。該工作被PRL編輯選作編輯推薦文章，并在Physics雜志以“Steering Toward a Quantum Advantage”為題進(jìn)行報道。
熱機在人類(lèi)社會(huì )發(fā)展進(jìn)程和生活中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。如何提高熱機效率一直是熱力學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題。隨著(zhù)量子技術(shù)對單分子、單原子操控技術(shù)的發(fā)展，熱力學(xué)與量子技術(shù)的交叉有望在微觀(guān)尺度構建出最小的量子熱機，并且利用量子特性提高熱機效率。到目前為止大家通常關(guān)注量子熱機中功介質(zhì)量子系統本身的量子相干性，認為它是效率提升最為關(guān)鍵的量子資源，但是研究顯示其作用仍存在爭議，沒(méi)有明確的結論。本工作采取新的思路，專(zhuān)注研究量子關(guān)聯(lián)在量子熱機中的作用，發(fā)現一類(lèi)稱(chēng)為“量子導引”的特殊量子關(guān)聯(lián)在量子希拉德熱機中起到重要作用。
希拉德熱機是由物理學(xué)家利奧·希拉德于1926年提出的一個(gè)理想實(shí)驗，是一種利用信息提取功的熱機。設想在一個(gè)盒子中有一個(gè)單分子，盒子中間放置一個(gè)活塞，初始狀態(tài)分子可以隨機處于盒子的左半邊或者右半邊。在不知道分子位置的情況下，如果在活塞某一側掛上重物，有一半情況分子會(huì )通過(guò)碰撞活塞，抬升重物而做正功，而另一半時(shí)候分子則會(huì )做負功。由于初始狀態(tài)的隨機性，平均而言分子沒(méi)有對外做功。希拉德提出，如果有一個(gè)麥克斯韋妖對分子的位置進(jìn)行測量，并根據測量得到的信息來(lái)選擇掛重物的位置，只要每次都把重物掛在分子所處的那一側，就可以保證分子總可以對外做正功。如此一來(lái)，就實(shí)現了利用測量得到的信息，使得一個(gè)處于隨機初態(tài)的系統對外做功。這種信息到做功的轉換啟發(fā)人們將量子信息和熱力學(xué)聯(lián)系起來(lái)。
圖1：量子希拉德熱機示意圖。左為麥克斯韋妖，右圖表示量子希拉德熱機可以通過(guò)做功大小，來(lái)區分經(jīng)典和量子，即量子關(guān)聯(lián)的有無(wú)。
在本工作中，中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室研究人員與理論合作者湖南師范大學(xué)任昌亮合作，構建了一個(gè)量子版本的希拉德熱機。在量子版本中，工作介質(zhì)由一個(gè)單分子變成了單個(gè)核自旋構成的量子比特，分子位置的左右狀態(tài)變成了量子比特的0和1量子態(tài)，而懸掛重物讓分子做功的過(guò)程變成了施加在核自旋量子態(tài)上的幺正操作。量子體系與經(jīng)典體系的一個(gè)重要區別是，對量子態(tài)進(jìn)行測量一般會(huì )改變這個(gè)量子態(tài)，所以研究人員在量子版本中加入了一個(gè)經(jīng)典版本不存在的操作：用一個(gè)單電子自旋量子比特作為環(huán)境比特，在制備初始狀態(tài)的時(shí)候使環(huán)境比特和工作介質(zhì)比特之間建立量子關(guān)聯(lián)，從而可以不用直接測量工作介質(zhì)比特，而是通過(guò)測量環(huán)境比特來(lái)獲取工作介質(zhì)比特的狀態(tài)信息。根據環(huán)境比特的狀態(tài)對工作介質(zhì)比特施加受控幺正操作，就可以使工作介質(zhì)比特總是對外做正功。通過(guò)這樣一個(gè)設計，使得人們可以研究量子關(guān)聯(lián)在量子熱機中所起到的作用。
研究人員基于金剛石氮-空位色心體系實(shí)驗實(shí)現了上述量子希拉德熱機。通過(guò)研究工作介質(zhì)與環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現量子導引與熱機做功的大小有密切的關(guān)系。量子導引是由埃爾溫·薛定諤于1935年最先提出的基礎量子關(guān)聯(lián)概念之一。量子導引是介于量子糾纏和和貝爾非定域性之間的一類(lèi)特殊的量子關(guān)聯(lián)，但有別于其他兩個(gè)概念，量子導引具有天然的不對稱(chēng)性。這種關(guān)聯(lián)的強弱通常是用量子導引不等式的破壞來(lái)定量描述，與利用貝爾不等式的破壞來(lái)描述貝爾非定域性類(lèi)似。實(shí)驗結果表明，量子導引的存在對于量子希拉德熱機的做功發(fā)揮著(zhù)重要的作用：存在量子導引的希拉德熱機（量子）比不存在量子導引的希拉德熱機（經(jīng)典）有更大的做功，并且量子導引不等式破壞越大（量子關(guān)聯(lián)越強），量子希拉德熱機的功提取不等式破壞（用于衡量做功超越經(jīng)典極限的大?。┚驮酱?，也就更加體現出量子優(yōu)越性。反過(guò)來(lái)，我們也可以利用做功的大小來(lái)區分經(jīng)典和量子，即量子關(guān)聯(lián)的有無(wú)。
圖2：量子希拉德熱機功提取的實(shí)驗結果。（a）根據功提取是否超越經(jīng)典極限，可以將熱機的參數空間劃分成量子區和經(jīng)典區。（b）以q=1的區域為例，可以看到量子希拉德熱機的平均功提取超越了經(jīng)典功提取上界。（c）量子導引不等式的破壞和功提取不等式的破壞之間存在正相關(guān)，顯示了在量子希拉德熱機中量子關(guān)聯(lián)的大小對功提取的重要作用。
本工作以希拉德熱機為例，展示了量子熱機中量子關(guān)聯(lián)的獨特作用，為建立量子信息和量子熱力學(xué)的橋梁提供了新的思路。
中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室博士后研究員季文韜、博士研究生柴梓華與特任副研究員王孟祺為本工作共同第一作者，杜江峰院士、王亞教授和任昌亮教授為共同通訊作者。此項研究得到了科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委、安徽省和湖南省的資助。
