Il Precision Measurement Institute e altri fanno progressi nell'esplorazione sperimentale dei motori quantistici

Il Bound System Quantum Information Processing Research Group dell'Institute of Precision Measurement Science and Technological Innovation dell'Accademia cinese delle scienze (IPMSI), in collaborazione con il Guangzhou Industrial Technology Research Institute (GITRI) e altri, ha esplorato sperimentalmente l'effetto dell'entanglement come risorsa quantistica su un motore quantistico basato sulla piattaforma sperimentale Ultracold 40Ca+ Ion. I risultati sperimentali mostrano che il motore quantistico può produrre più lavoro utile quando la sua materia di lavoro è nello stato entangled, indicando che l'entanglement può essere utilizzato come "carburante".
L'entanglement è una risorsa quantistica unica nell'elaborazione delle informazioni, che può accelerare il calcolo, garantire la sicurezza delle informazioni nella comunicazione e migliorare l'accuratezza della misurazione. Attualmente, non è del tutto chiaro se l'entanglement possa svolgere un ruolo nella conversione e nell'uso dell'energia; se i motori quantistici con proprietà di entanglement siano superiori ai motori classici e in quali condizioni ciò si verifichi è inconcludente. Allo stesso tempo, ci sono pochi studi sperimentali di motori quantistici con sistemi quantistici entangled come materia di lavoro e non esiste alcuna verifica sperimentale quantitativa.
Il gruppo ha progettato un motore quantistico con proprietà di entanglement utilizzando ioni ultrafreddi 40Ca+ stabilmente legati in una trappola ionica come materiale di lavoro. Il motore quantistico trasporta un carico quantistico. È riempito da una modalità vibrazionale quantistica condivisa dagli ioni. I ricercatori hanno utilizzato un ciclo termodinamico per far sì che il motore quantistico converta l'energia dei fotoni del laser attraverso la sostanza di lavoro (lo ione) nell'energia dei fononi del carico quantistico e hanno definito l'efficienza di conversione. Inoltre, per stimare quanta di questa energia convertita è energia estraibile, ovvero lavoro utile, i ricercatori hanno definito l'efficienza meccanica.
Per verificare il ruolo dell'entanglement nei motori quantistici, lo studio ha valutato quantitativamente le prestazioni dei motori quantistici regolando l'entanglement della materia di lavoro. Nell'esperimento, lo studio ha controllato la tempistica dell'operazione della porta logica di entanglement manipolando con precisione il laser per ottenere materia di lavoro con diversi gradi di entanglement. Nel frattempo, lo studio ha ottenuto l'efficienza di conversione e l'efficienza meccanica a diversi gradi di entanglement misurando il numero di fotoni assorbiti nella materia di lavoro e il numero di fononi aggiunti nel carico. Gli esperimenti mostrano che il valore massimo dell'efficienza meccanica si verifica nel punto in cui la materia di lavoro è al massimo entanglement, ma l'efficienza di conversione non è quasi influenzata dal grado di entanglement. L'analisi dei dati sperimentali mostra che il motore quantistico è in grado di produrre più lavoro utile quando la sua materia di lavoro è nello stato entangled; e l'efficienza di conversione del motore quantistico è indipendente dall'entanglement, così come dall'output di lavoro utile.
Questo risultato fornisce prove sperimentali del fatto che l'entanglement può svolgere il ruolo di "carburante" nei motori quantistici e suggerisce che la ricerca e lo sviluppo di motori quantistici dovrebbero prestare maggiore attenzione all'efficienza meccanica piuttosto che all'efficienza di conversione. Questi risultati forniscono una nuova prospettiva per lo sviluppo di dispositivi energetici microscopici come motori quantistici e batterie quantistiche.