近日,中國科學院精密測量科學與技術創新研究院量子可積課題組博士研究生史海龍、萬青昆,與西北大學教授楊文力、王曉輝等合作,在量子電池理論研究方面取得新進展。該研究首次證明了量子相干或量子糾纏在量子電池產生可提取功的過程中是必不可少的量子資源。
現代實驗技術可實現在量子比特層面上探測和操縱物理系統,這要求科研人員在微觀尺度上考慮量子特性來重構熱力學及動力學規律。近年來,量子信息理論學家針對量子糾纏、量子相干以及其他量子關聯建立起相應的量子資源理論。盡管這些量子資源理論深化了科學家對于糾纏和相干的理解,但在有限時間非平衡熱力學過程中不同量子關聯之間會出現復雜的耦合,從而使得研究量子多體非平衡動力學頗為困難。關于量子電池的研究是備受關注的量子科技問題,其中之一就是探究量子關聯對于可提取功的影響。同時,在量子電池充電動力學過程中存在的不同類型的可提取功為理論分析帶來困難,故剖析糾纏和相干對于量子電池可提取功的影響是重要的難題。
該團隊首次證明了量子相干或量子糾纏在量子電池產生可提取功的過程中是必不可少的量子資源,并將可提取功分為相干可提取功和非相干可提取功兩部分,證明了當量子電池充電動力學結束時,相干性有助于提高相干功,但相干和糾纏又抑制了非相干功的產生,且這些結論與模型無關。研究進一步通過中心自旋量子電池、Tavis-Cummings量子電池和XXZ自旋鏈量子電池,展示量子糾纏、量子相干與電池可提取功之間的準確的聯系(如圖)。該工作為后續實驗和理論研究提供了重要指導。
相關研究成果以《量子電池中的糾纏、相干和可提取的功》(Entanglement, coherence, and extractable work in quantum batteries)為題,發表在Physical Review Letters上。研究工作得到國家自然科學基金的支持。

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