精密計測研究所などが量子エンジンの実験的探究で進歩を遂げる

中国科学院精密計測科学技術革新研究所（IPMSI）の束縛システム量子情報処理研究グループは、広州工業技術研究院（GITRI）などと共同で、極低温40Ca+イオン実験プラットフォームに基づく量子エンジンにおける量子資源としてのエンタングルメントの影響を実験的に調査しました。実験結果によると、量子エンジンは、その作業物質がエンタングルメント状態にあるときに、より有用な仕事を出力することができ、エンタングルメントを「燃料」として使用できることを示しています。
エンタングルメントは情報処理におけるユニークな量子リソースであり、計算を高速化し、通信における情報セキュリティを確保し、測定の精度を向上させることができます。現在、エンタングルメントがエネルギーの変換と使用に役割を果たすことができるかどうかは完全には明らかではありません。エンタングルメント特性を持つ量子エンジンが古典的なエンジンよりも優れているかどうか、またどのような条件下でこれが発生するかは決定的ではありません。同時に、量子エンタングルメントシステムを動作物質とする量子エンジンの実験研究はほとんどなく、定量的な実験検証はありません。
研究グループは、イオントラップに安定的に結合した極低温の 40Ca+ イオンを作業物質として使用し、エンタングルメント特性を持つ量子エンジンを設計しました。量子エンジンは量子負荷を運びます。それはイオンによって共有される量子振動モードで満たされます。研究者は熱力学サイクルを使用して、量子エンジンがレーザーの光子エネルギーを作業物質 (イオン) を介して量子負荷のフォノンエネルギーに変換し、変換効率を定義しました。さらに、この変換されたエネルギーのうちどれだけが抽出可能なエネルギー、つまり有用な仕事であるかを推定するために、研究者は機械効率を定義しました。
量子エンジンにおけるエンタングルメントの役割を検証するため、本研究では、作業物質のエンタングルメントを調整することで量子エンジンの性能を定量的に評価した。実験では、レーザーを精密に操作してエンタングルメント論理ゲートの動作タイミングを制御し、異なるエンタングルメント度の作業物質を得た。同時に、作業物質に吸収された光子の数と負荷に追加されたフォノンの数を測定することで、異なるエンタングルメント度での変換効率と機械効率を取得した。実験では、作業物質が最大限にエンタングルメントされた時点で機械効率の最大値が発生するが、変換効率はエンタングルメント度にほとんど影響されないことが示されている。実験データの分析により、作業物質がエンタングルメント状態にあるとき、量子エンジンはより多くの有用な仕事を出力できること、および量子エンジンの変換効率はエンタングルメントおよび有用な仕事の出力とは無関係であることが明らかになった。
この結果は、量子エンジンにおいてエンタングルメントが「燃料」の役割を果たすことができるという実験的証拠を提供し、量子エンジンの研究開発では変換効率よりも機械効率にもっと注意を払うべきであることを示唆しています。これらの結果は、量子モーターや量子電池などの微小エネルギーデバイスの開発に新たな視点を提供します。