中國科大實(shí)驗(yàn)揭示量子相干與量子功的關(guān)系

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、榮星等人在量子熱力學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究組基于固態(tài)單自旋量子體系，對(duì)量子系統(tǒng)中的最大可提取功開展了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明通過提升量子系統(tǒng)的相干，可以有效提升量子態(tài)中的最大可提取功。該成果以“Experimental investigation of coherent ergotropy in a single spin system”為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。美國物理學(xué)會(huì)Physics期刊為該工作刊發(fā)了由德國斯圖加特大學(xué)Eric Lutz教授撰寫的專文評(píng)述“Quantum Coherence Boosts Quantum Work”。

在熱力學(xué)研究中，理解一個(gè)系統(tǒng)能夠被提取出多少功，具有十分基礎(chǔ)且重要的意義。為針對(duì)量子系統(tǒng)中研究這個(gè)問題，理論研究者們提出了量子系統(tǒng)在循環(huán)幺正演化下的最大可提取功這一物理量，并于近期指出量子相干對(duì)于最大可提取功的重要作用。然而，實(shí)驗(yàn)上尚缺乏對(duì)這兩個(gè)重要物理量關(guān)系的檢驗(yàn)和展示，主要原因是如何有效測(cè)量最大可提取功非常具有挑戰(zhàn)性。

本工作中，研究組為避免使用復(fù)雜的量子態(tài)層析技術(shù)，發(fā)展了利用輔助比特測(cè)量最大可提取功的方法，并基于金剛石氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV）色心體系，展示了對(duì)最大可提取功的高效精確測(cè)量，成功分離出了相干和非相干的部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過檢測(cè)一系列量子態(tài)的相干最大可提取功，表明相干最大可提取功隨著量子相干增加而增加。

圖：(a)各類功提取操作前后量子態(tài)的能量和量子相干；(b)相干最大可提取功與量子相干的關(guān)系。這項(xiàng)工作不僅展示了量子相干在功提取過程中的作用，還揭示了量子信息理論與量子熱力學(xué)之間的深刻聯(lián)系，為未來進(jìn)一步研究量子系統(tǒng)的特性在熱力學(xué)模型中的作用打下基礎(chǔ)。該研究為未來量子器件的優(yōu)化與發(fā)展提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，尤其是在提升量子設(shè)備的功容量方面有著重要的意義。