Інститут прецизійних вимірювань та інші досягають прогресу в експериментальному дослідженні квантових двигунів

Дослідницька група квантової обробки інформації в системі пов’язаної системи Інституту прецизійних вимірювань і технологічних інновацій Академії наук Китаю (IPMSI) у співпраці з Науково-дослідним інститутом промислових технологій Гуанчжоу (GITRI) та іншими експериментально дослідила ефект заплутаності як квантовий ресурс на квантовому двигуні на основі експериментальної платформи іонів Ultracold 40Ca+. Експериментальні результати показують, що квантовий двигун може видавати більше корисної роботи, коли його робоча речовина знаходиться в заплутаному стані, вказуючи на те, що заплутаність може використовуватися як «паливо».
Заплутаність — це унікальний квантовий ресурс в обробці інформації, який може пришвидшити обчислення, забезпечити інформаційну безпеку в спілкуванні та підвищити точність вимірювань. Наразі не зовсім зрозуміло, чи може заплутаність відігравати роль у перетворенні та використанні енергії; чи квантові двигуни з властивостями заплутаності є кращими за класичні двигуни і за яких умов це відбувається, залишається незрозумілим. Водночас експериментальних досліджень квантових двигунів із квантово-заплутаними системами як робочою речовиною небагато, а кількісна експериментальна перевірка відсутня.
Група розробила квантовий двигун із властивостями заплутування, використовуючи ультрахолодні іони 40Ca+, стабільно зв’язані в іонній пастці, як робочий матеріал. Квантовий двигун несе квантове навантаження. Він заповнений квантовою коливальною модою, спільною для іонів. Дослідники використовували термодинамічний цикл, щоб змусити квантовий двигун перетворювати енергію фотона лазера через робочу речовину (іон) в енергію фонона квантового навантаження, і визначили ефективність перетворення. Крім того, щоб оцінити, скільки цієї перетвореної енергії є енергією, яку можна отримати, тобто корисною роботою, дослідники визначили механічну ефективність.
Щоб перевірити роль заплутаності в квантових двигунах, дослідження кількісно оцінило продуктивність квантових двигунів, регулюючи заплутаність робочої речовини. В експерименті дослідники контролювали час роботи логічного вентиля заплутування шляхом точного маніпулювання лазером для отримання робочої речовини з різним ступенем заплутування. У той же час дослідження отримали ефективність перетворення та механічну ефективність при різних ступенях заплутування шляхом вимірювання кількості фотонів, поглинених робочою речовиною, і кількості фононів, доданих у навантаженні. Експерименти показують, що максимальне значення механічної ефективності відбувається в точці, де робоча речовина максимально заплутана, але на ефективність перетворення майже не впливає ступінь заплутування. Аналіз експериментальних даних показує, що квантовий двигун здатний видавати більше корисної роботи, коли його робоча речовина знаходиться в заплутаному стані; а ефективність перетворення квантового механізму не залежить від заплутаності, а також від продуктивності корисної роботи.
Цей результат надає експериментальні докази того, що заплутаність може відігравати роль «палива» в квантових двигунах, і свідчить про те, що дослідження та розробки квантових двигунів повинні приділяти більше уваги механічній ефективності, а не ефективності перетворення. Ці результати відкривають нову перспективу для розробки мікроскопічних енергетичних пристроїв, таких як квантові двигуни та квантові батареї.