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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等人在金剛石氮-空位色心體系構(gòu)建的量子希拉德熱機(jī)上實(shí)驗(yàn)展示了量子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的量子優(yōu)越性。這項(xiàng)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(píng)論快報(bào)》 [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(bào)道。

熱機(jī)在人類(lèi)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程和生活中發(fā)揮著重要的作用。如何提高熱機(jī)效率一直是熱力學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題。隨著量子技術(shù)對(duì)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)的交叉有望在微觀尺度構(gòu)建出最小的量子熱機(jī)，并且利用量子特性提高熱機(jī)效率。到目前為止大家通常關(guān)注量子熱機(jī)中功介質(zhì)量子系統(tǒng)本身的量子相干性，認(rèn)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(zhēng)議，沒(méi)有明確的結(jié)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(jī)中的作用，發(fā)現(xiàn)一類(lèi)稱(chēng)為“量子導(dǎo)引”的特殊量子關(guān)聯(lián)在量子希拉德熱機(jī)中起到重要作用。

希拉德熱機(jī)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(yàn)，是一種利用信息提取功的熱機(jī)。設(shè)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(jī)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(cè)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(fù)功。由于初始狀態(tài)的隨機(jī)性，平均而言分子沒(méi)有對(duì)外做功。希拉德提出，如果有一個(gè)麥克斯韋妖對(duì)分子的位置進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)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(cè)，就可以保證分子總可以對(duì)外做正功。如此一來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了利用測(cè)量得到的信息，使得一個(gè)處于隨機(jī)初態(tài)的系統(tǒng)對(duì)外做功。這種信息到做功的轉(zhuǎn)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(jī)示意圖。左為麥克斯韋妖，右圖表示量子希拉德熱機(jī)可以通過(guò)做功大小，來(lái)區(qū)分經(jīng)典和量子，即量子關(guān)聯(lián)的有無(wú)。

在本工作中，中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員與理論合作者湖南師范大學(xué)任昌亮合作，構(gòu)建了一個(gè)量子版本的希拉德熱機(jī)。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(gòu)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(qū)別是，對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)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(cè)量工作介質(zhì)比特，而是通過(guò)測(cè)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(jù)環(huán)境比特的狀態(tài)對(duì)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(duì)外做正功。通過(guò)這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，使得人們可以研究量子關(guān)聯(lián)在量子熱機(jī)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(yàn)實(shí)現(xiàn)了上述量子希拉德熱機(jī)。通過(guò)研究工作介質(zhì)與環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)量子導(dǎo)引與熱機(jī)做功的大小有密切的關(guān)系。量子導(dǎo)引是由埃爾溫·薛定諤于1935年最先提出的基礎(chǔ)量子關(guān)聯(lián)概念之一。量子導(dǎo)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(dǎo)引具有天然的不對(duì)稱(chēng)性。這種關(guān)聯(lián)的強(qiáng)弱通常是用量子導(dǎo)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(yàn)結(jié)果表明，量子導(dǎo)引的存在對(duì)于量子希拉德熱機(jī)的做功發(fā)揮著重要的作用：存在量子導(dǎo)引的希拉德熱機(jī)（量子）比不存在量子導(dǎo)引的希拉德熱機(jī)（經(jīng)典）有更大的做功，并且量子導(dǎo)引不等式破壞越大（量子關(guān)聯(lián)越強(qiáng)），量子希拉德熱機(jī)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(xiàn)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(qū)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(jī)功提取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）根據(jù)功提取是否超越經(jīng)典極限，可以將熱機(jī)的參數(shù)空間劃分成量子區(qū)和經(jīng)典區(qū)。（b）以q=1的區(qū)域?yàn)槔?，可以看到量子希拉德熱機(jī)的平均功提取超越了經(jīng)典功提取上界。（c）量子導(dǎo)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(jī)中量子關(guān)聯(lián)的大小對(duì)功提取的重要作用。

本工作以希拉德熱機(jī)為例，展示了量子熱機(jī)中量子關(guān)聯(lián)的獨(dú)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。

中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究得到了科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省和湖南省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.090602

美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics雜志報(bào)道: https://physics.aps.org/articles/v15/s28

（中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）