Институтът за прецизни измервания и други постигат напредък в експерименталното изследване на квантовите двигатели

Изследователската група за квантова обработка на информация на свързаната система към Института за наука за прецизни измервания и технологични иновации към Китайската академия на науките (IPMSI), в сътрудничество с Изследователския институт за индустриални технологии в Гуанджоу (GITRI) и други, експериментално изследва ефекта на заплитането като квантов ресурс на квантов двигател, базиран на Ultracold 40Ca+ йонна експериментална платформа. Експерименталните резултати показват, че квантовият двигател може да изведе по-полезна работа, когато неговата работна материя е в заплетено състояние, което показва, че заплитането може да се използва като "гориво".
Заплитането е уникален квантов ресурс в обработката на информация, който може да ускори изчисленията, да осигури информационна сигурност в комуникацията и да подобри точността на измерването. Понастоящем не е напълно ясно дали заплитането може да играе роля в преобразуването и използването на енергия; дали квантовите двигатели със свойства на заплитане са по-добри от класическите двигатели и при какви условия се случва това е неубедително. В същото време има малко експериментални изследвания на квантови двигатели с квантово заплетени системи като работна материя и няма количествена експериментална проверка.
Групата проектира квантов двигател със свойства на заплитане, използвайки ултрастудени йони 40Ca+, стабилно свързани в йонен капан като работен материал. Квантовият двигател носи квантов товар. Той се запълва от квантов вибрационен режим, споделян от йоните. Изследователите са използвали термодинамичен цикъл, за да накарат квантовия двигател да преобразува фотонната енергия на лазера през работното вещество (йона) във фононната енергия на квантовия товар и са определили ефективността на преобразуване. Освен това, за да оценят каква част от тази преобразувана енергия е енергия, която може да се извлече, т.е. полезна работа, изследователите определиха механичната ефективност.
За да провери ролята на заплитането в квантовите двигатели, изследването количествено оцени работата на квантовите двигатели чрез коригиране на заплитането на работната материя. В експеримента проучването контролира времето на операцията на логическата врата на заплитане чрез прецизно манипулиране на лазера, за да се получи работна материя с различни степени на заплитане. Междувременно изследването получи ефективността на преобразуване и механичната ефективност при различни степени на заплитане чрез измерване на броя на фотоните, абсорбирани в работната материя, и броя на фононите, добавени в товара. Експериментите показват, че максималната стойност на механичната ефективност възниква в точката, където работната материя е максимално заплетена, но ефективността на преобразуване почти не се влияе от степента на заплитане. Анализът на експерименталните данни показва, че квантовият двигател е в състояние да произведе по-полезна работа, когато неговата работна материя е в заплетено състояние; и ефективността на преобразуване на квантовия двигател е независима от заплитането, както и от резултата от полезна работа.
Този резултат предоставя експериментално доказателство, че заплитането може да играе ролята на "гориво" в квантовите двигатели и предполага, че изследванията и развитието на квантовите двигатели трябва да обръщат повече внимание на механичната ефективност, а не на ефективността на преобразуване. Тези резултати предоставят нова перспектива за разработването на микроскопични енергийни устройства като квантови двигатели и квантови батерии.