中科大實驗揭示量子相干與量子功的關系

IT之家 11 月 4 日消息，據中科大官網消息，中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、榮星等人在量子熱力學領域取得重要進展。研究組基于固態單自旋量子體系，對量子系統中的最大可提取功開展了系統實驗研究，實驗表明通過提升量子系統的相干，可以有效提升量子態中的最大可提取功。

IT之家獲悉，該成果以“Experimental investigation of coherent ergotropy in a single spin system”為題發表在《物理評論快報》上。美國物理學會 Physics 期刊為該工作刊發了由德國斯圖加特大學 Eric Lutz 教授撰寫的專文評述“Quantum Coherence Boosts Quantum Work”。

中科大介紹稱，在熱力學研究中，理解一個系統能夠被提取出多少功，具有十分基礎且重要的意義。為針對量子系統中研究這個問題，理論研究者們提出了量子系統在循環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于最大可提取功的重要作用。然而，實驗上尚缺乏對這兩個重要物理量關系的檢驗和展示，主要原因是如何有效測量最大可提取功非常具有挑戰性。

▲ 圖：(a) 各類功提取操作前后量子態的能量和量子相干；(b) 相干最大可提取功與量子相干的關系。

本工作中，研究組為避免使用復雜的量子態層析技術，發展了利用輔助比特測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，展示了對最大可提取功的高效精確測量，成功分離出了相干和非相干的部分。實驗結果通過檢測一系列量子態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。

這項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之間的深刻聯系，為未來進一步研究量子系統的特性在熱力學模型中的作用打下基礎。該研究為未來量子器件的優化與發展提供了理論與實驗基礎，尤其是在提升量子設備的功容量方面有著重要的意義。

中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士研究生牛智博為該文第一作者，榮星教授為通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省和合肥市的資助。

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