Institut za precizno mjerenje i drugi napreduju u eksperimentalnom istraživanju kvantnih motora

Grupa za istraživanje kvantne obrade informacija o vezanom sustavu Instituta za znanost o preciznim mjerenjima i tehnološke inovacije Kineske akademije znanosti (IPMSI), u suradnji s Institutom za istraživanje industrijske tehnologije Guangzhou (GITRI) i drugima, eksperimentalno je istražila učinak isprepletenosti kao kvantni resurs na kvantnom motoru temeljenom na Ultracold 40Ca+ ionskoj eksperimentalnoj platformi. Eksperimentalni rezultati pokazuju da kvantni motor može proizvesti više korisnog rada kada je njegova radna tvar u isprepletenom stanju, što ukazuje da se isprepletenost može koristiti kao "gorivo".
Entanglement je jedinstveni kvantni resurs u obradi informacija, koji može ubrzati računanje, osigurati informacijsku sigurnost u komunikaciji i poboljšati točnost mjerenja. Trenutačno nije posve jasno može li isprepletenost igrati ulogu u pretvorbi i korištenju energije; jesu li kvantni motori sa svojstvima isprepletenosti superiorniji od klasičnih motora i pod kojim se uvjetima to događa nije uvjerljivo. Istodobno, malo je eksperimentalnih istraživanja kvantnih motora s kvantno isprepletenim sustavima kao radnom tvari, a nema kvantitativne eksperimentalne provjere.
Grupa je dizajnirala kvantni motor sa svojstvima isprepletenosti koristeći ultrahladne ione 40Ca+ koji su stabilno vezani u ionskoj zamci kao radni materijal. Kvantni motor nosi kvantno opterećenje. Ispunjava ga kvantni način vibracije koji dijele ioni. Istraživači su koristili termodinamički ciklus kako bi kvantni motor pretvorio fotonsku energiju lasera kroz radnu tvar (ion) u fononsku energiju kvantnog opterećenja i definirali učinkovitost pretvorbe. Nadalje, kako bi procijenili koliko je od ove pretvorene energije energija koja se može izdvojiti, tj. koristan rad, istraživači su definirali mehaničku učinkovitost.
Kako bi se potvrdila uloga isprepletenosti u kvantnim motorima, studija je kvantitativno procijenila performanse kvantnih motora prilagodbom isprepletenosti radne tvari. U eksperimentu je studija kontrolirala vrijeme rada logičkih vrata isprepletenosti preciznim manipuliranjem laserom kako bi se dobila radna tvar s različitim stupnjevima isprepletenosti. U međuvremenu, studija je dobila učinkovitost pretvorbe i mehaničku učinkovitost pri različitim stupnjevima isprepletenosti mjerenjem broja fotona apsorbiranih u radnoj tvari i broja fonona dodanih u opterećenju. Eksperimenti pokazuju da se najveća vrijednost mehaničke učinkovitosti javlja na mjestu gdje je radna tvar maksimalno zapetljana, ali na učinkovitost pretvorbe gotovo ne utječe stupanj zapletenosti. Analiza eksperimentalnih podataka pokazuje da je kvantni motor sposoban proizvesti više korisnog rada kada je njegova radna tvar u zapetljanom stanju; a učinkovitost pretvorbe kvantnog motora neovisna je o isprepletenosti, kao i izlaz korisnog rada.
Ovaj rezultat pruža eksperimentalne dokaze da isprepletenost može igrati ulogu "goriva" u kvantnim motorima i sugerira da bi istraživanje i razvoj kvantnih motora trebali obratiti više pažnje na mehaničku učinkovitost umjesto na učinkovitost pretvorbe. Ovi rezultati pružaju novu perspektivu za razvoj mikroskopskih energetskih uređaja kao što su kvantni motori i kvantne baterije.