Hassas Ölçüm Enstitüsü ve Diğerleri Kuantum Motorlarının Deneysel Araştırmasında İlerleme Kaydediyor

Çin Bilimler Akademisi Hassas Ölçüm Bilimi ve Teknolojik Yenilik Enstitüsü'nün (IPMSI) Bağlı Sistem Kuantum Bilgi İşleme Araştırma Grubu, Guangzhou Endüstriyel Teknoloji Araştırma Enstitüsü (GITRI) ve diğerleriyle işbirliği yaparak, Ultracold 40Ca+ İyon Deneysel Platformu'na dayalı bir kuantum motorunda kuantum kaynağı olarak dolanıklığın etkisini deneysel olarak araştırdı. Deneysel sonuçlar, kuantum motorunun çalışma maddesi dolanık haldeyken daha yararlı iş üretebileceğini ve dolanıklığın bir "yakıt" olarak kullanılabileceğini gösteriyor.
Dolaşıklık, bilgi işlemede hesaplamayı hızlandırabilen, iletişimde bilgi güvenliğini sağlayabilen ve ölçüm doğruluğunu artırabilen benzersiz bir kuantum kaynağıdır. Şu anda, dolanıklığın enerji dönüşümü ve kullanımında bir rol oynayıp oynamayacağı tamamen net değildir; dolanıklık özelliklerine sahip kuantum motorlarının klasik motorlardan üstün olup olmadığı ve bunun hangi koşullar altında gerçekleştiği kesin değildir. Aynı zamanda, çalışma maddesi olarak kuantum dolanık sistemlere sahip kuantum motorları hakkında çok az deneysel çalışma vardır ve nicel deneysel doğrulama yoktur.
Grup, çalışma malzemesi olarak bir iyon tuzağında kararlı bir şekilde bağlanmış ultra soğuk 40Ca+ iyonlarını kullanarak dolanıklık özelliklerine sahip bir kuantum motoru tasarladı. Kuantum motoru bir kuantum yükü taşır. İyonlar tarafından paylaşılan bir kuantum titreşim modu ile doldurulur. Araştırmacılar, kuantum motorunun lazerin foton enerjisini çalışma maddesi (iyon) aracılığıyla kuantum yükünün fonon enerjisine dönüştürmesini sağlamak için bir termodinamik döngü kullandılar ve dönüşüm verimliliğini tanımladılar. Dahası, bu dönüştürülen enerjinin ne kadarının çıkarılabilir enerji yani yararlı iş olduğunu tahmin etmek için araştırmacılar mekanik verimliliği tanımladılar.
Kuantum motorlarında dolanıklığın rolünü doğrulamak için çalışma, çalışma maddesinin dolanıklığını ayarlayarak kuantum motorlarının performansını nicel olarak değerlendirdi. Deneyde çalışma, farklı dolanıklık derecelerine sahip çalışma maddesi elde etmek için lazeri hassas bir şekilde manipüle ederek dolanıklık mantık kapısı işleminin zamanlamasını kontrol etti. Bu arada çalışma, çalışma maddesinde emilen foton sayısını ve yüke eklenen fonon sayısını ölçerek farklı dolanıklık derecelerinde dönüşüm verimliliğini ve mekanik verimliliği elde etti. Deneyler, mekanik verimliliğin maksimum değerinin, çalışma maddesinin maksimum dolanık olduğu noktada meydana geldiğini, ancak dönüşüm verimliliğinin dolanıklık derecesinden neredeyse hiç etkilenmediğini göstermektedir. Deneysel verilerin analizi, kuantum motorunun çalışma maddesi dolanık durumda olduğunda daha yararlı iş üretebildiğini; ve kuantum motorunun dönüşüm verimliliğinin dolanıklıktan ve yararlı iş çıktısından bağımsız olduğunu göstermektedir.
Bu sonuç, dolanıklığın kuantum motorlarında "yakıt" rolünü oynayabileceğine dair deneysel kanıt sunar ve kuantum motorlarının araştırma ve geliştirmesinin dönüşüm verimliliğinden ziyade mekanik verimliliğe daha fazla dikkat etmesi gerektiğini öne sürer. Bu sonuçlar, kuantum motorları ve kuantum pilleri gibi mikroskobik enerji cihazlarının geliştirilmesi için yeni bir bakış açısı sağlar.