量子希拉德熱機(jī)示意圖  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士、王亞教授等在金剛石氮—空位色心體系構(gòu)建的量子希拉德熱機(jī)上，展示了量子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的量子優(yōu)越性。研究成果日前發(fā)表于《物理評論快報(bào)》，并被選作“編輯推薦”文章。

　　熱機(jī)在人類社會發(fā)展進(jìn)程和生活中發(fā)揮著重要作用，如何提高熱機(jī)效率一直是熱力學(xué)的核心科學(xué)問題。隨著量子技術(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)的交叉有望在微觀尺度構(gòu)建出最小的量子熱機(jī)，并利用量子特性提高熱機(jī)效率。迄今為止，人們通常關(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，但研究顯示其作用仍存在爭議。

　　杜江峰團(tuán)隊(duì)與理論合作者湖南師范大學(xué)特聘教授任昌亮合作，構(gòu)建了一個(gè)“量子版本”的希拉德熱機(jī)。量子體系與經(jīng)典體系的一個(gè)重要區(qū)別是，對量子態(tài)進(jìn)行測量一般會改變量子態(tài)，所以研究人員加入了一個(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，而是通過測量環(huán)境比特來獲取工作介質(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)了量子希拉德熱機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子導(dǎo)引的存在對于量子希拉德熱機(jī)的做功發(fā)揮著重要作用：存在量子導(dǎo)引的希拉德熱機(jī)比不存在量子導(dǎo)引的希拉德熱機(jī)有更大的做功，并且量子導(dǎo)引不等式破壞越大，量子希拉德熱機(jī)的功提取不等式破壞就越大，也就更加體現(xiàn)出量子熱機(jī)優(yōu)越性。反過來，也可以利用做功的大小來區(qū)分量子關(guān)聯(lián)的有無。

　　這一成果為建立量子信息和量子熱力學(xué)的橋梁提供了新思路。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.090602