Precision Measurement Institute en anderen boeken vooruitgang in experimentele verkenning van quantummotoren

De Bound System Quantum Information Processing Research Group van het Institute of Precision Measurement Science and Technological Innovation van de Chinese Academy of Sciences (IPMSI), in samenwerking met het Guangzhou Industrial Technology Research Institute (GITRI) en anderen, heeft experimenteel het effect van verstrengeling als kwantumbron op een kwantummotor op basis van het Ultracold 40Ca+ Ion Experimental Platform onderzocht. De experimentele resultaten laten zien dat de kwantummotor meer nuttig werk kan leveren wanneer de werkmaterie zich in de verstrengelde toestand bevindt, wat aangeeft dat verstrengeling als "brandstof" kan worden gebruikt.
Verstrengeling is een unieke kwantumbron in informatieverwerking, die berekeningen kan versnellen, informatiebeveiliging in communicatie kan garanderen en de nauwkeurigheid van metingen kan verbeteren. Momenteel is het niet helemaal duidelijk of verstrengeling een rol kan spelen in energieomzetting en -gebruik; of kwantummotoren met verstrengelingseigenschappen superieur zijn aan klassieke motoren en onder welke omstandigheden dit gebeurt, is niet doorslaggevend. Tegelijkertijd zijn er weinig experimentele studies van kwantummotoren met kwantumverstrengelde systemen als werkmaterie en is er geen kwantitatieve experimentele verificatie.
De groep ontwierp een quantummotor met verstrengelingseigenschappen met behulp van ultrakoude 40Ca+-ionen die stabiel gebonden zijn in een ionenval als werkmateriaal. De quantummotor draagt ​​een quantumlading. Deze wordt gevuld door een quantumvibratiemodus die gedeeld wordt door de ionen. De onderzoekers gebruikten een thermodynamische cyclus om de quantummotor de fotonenergie van de laser via de werksubstantie (het ion) te laten omzetten in de fononenergie van de quantumlading, en definieerden de conversie-efficiëntie. Verder definieerden de onderzoekers de mechanische efficiëntie om te schatten hoeveel van deze omgezette energie extraheerbare energie is, d.w.z. nuttig werk.
Om de rol van verstrengeling in quantum engines te verifiëren, beoordeelde de studie kwantitatief de prestaties van quantum engines door de verstrengeling van de werkende materie aan te passen. In het experiment controleerde de studie de timing van de verstrengelingslogicapoortbewerking door de laser nauwkeurig te manipuleren om werkende materie met verschillende graden van verstrengeling te verkrijgen. Ondertussen verkreeg de studie de conversie-efficiëntie en mechanische efficiëntie bij verschillende verstrengelingsgraden door het aantal fotonen te meten dat in de werkende materie werd geabsorbeerd en het aantal fononen dat aan de belasting werd toegevoegd. De experimenten tonen aan dat de maximale waarde van de mechanische efficiëntie optreedt op het punt waar de werkende materie maximaal verstrengeld is, maar de conversie-efficiëntie wordt vrijwel niet beïnvloed door de mate van verstrengeling. Analyse van de experimentele gegevens toont aan dat de quantum engine meer nuttig werk kan leveren wanneer zijn werkende materie zich in de verstrengelde toestand bevindt; en de conversie-efficiëntie van de quantum engine is onafhankelijk van de verstrengeling, evenals de output van nuttig werk.
Dit resultaat levert experimenteel bewijs dat verstrengeling de rol van "brandstof" kan spelen in quantummotoren, en suggereert dat het onderzoek en de ontwikkeling van quantummotoren meer aandacht moeten besteden aan mechanische efficiëntie in plaats van conversie-efficiëntie. Deze resultaten bieden een nieuw perspectief voor de ontwikkeling van microscopische energieapparaten zoals quantummotoren en quantumbatterijen.