厦大物理2017级本科生林智远再次取得量子测量热机研究新进展-厦门大学物理学系

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厦大物理2017级本科生林智远再次取得量子测量热机研究新进展

核自旋、量子点、离子阱、冷原子气体、超导量子电路等量子系统中微观调控和集成技术的不断突破，使得特定环境和相互作用下，精确观测和调控微观粒子系统演化成为现实[1-3]。这些技术的发展为量子力学和量子统计框架下的热力学研究提供了丰富的理论和实验平台[4, 5]，有助于研究与量子热力学有关的量子测量与信息调控问题。

其中，量子测量可作为一种资源，类似经典热力学循环的燃料，为量子热机或制冷机提供源动力。Elouard等人将量子测量作为“加热”手段，代替高温热源，提出了由量子测量驱动的热机，依靠量子测量改变被测量子系统的状态，从而为系统提供信息和能量[6，7]。另外，热力学第二定律的克劳修斯表述指出热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，要实现热流方向逆转，过去主要采用两种方法：利用外部驱动力提供功[8]，或利用麦克斯韦妖通过反馈控制回路调控热流[9]。Buffoni等人设计了一个双量子点热力学循环，发现量子测量可作为燃料驱动这种逆转，而不需要任何反馈控制，并且改变测量基矢可实现量子热机、热泵等多种循环工作模式[10]。Seah等人设计一种用于测量驱动热机的自旋-谐振子耦合系统，谐振子的行为作为指针，通过对阻尼振子的随机或连续测量，振子根据自旋状态宏观地移动位置并做测量反馈，从量子自旋的热激发中提取功[11]。

林智远同学与研究团队提出以自旋1/2系统为工质，设计了一类无反馈量子的测量热机，如图1所示。给定任意初态，使系统从零时刻开始沿着绝热过程演化（过程I）；在𝜏时刻做量子测量（过程II），由测量基矢构成的投影算符同时左乘和右乘测量前的密度算符，再对完备测量基矢求和得到测量后系统的密度算符，根据测量前后密度算符的变化和系统自由哈密顿量计算内能变化，即测量从系统获取的能量；过程III是绝热过程I的逆过程，系统的哈密顿量将演化回初始时刻的哈密顿量；在这之后系统将与低温热库接触，经历哈密顿量算符恒定的热化过程（过程IV），经过多次循环后使系统达到热力学稳态。分析表明，测量基矢的优化可显著提高热机效率和功。

图1 量子测量热机工作示意图。

(a)循环过程包括幺正演化(过程I和III),量子测量(过程II),以及热化(过程IV);

(b)热力学循环过程中密度矩阵的演化。

同时，效率和功的最大值非常接近测量所导致的系统熵变的最小值（图2）。研究团队通过定义量子态之间跃迁引起的摩擦系数和量子态的相干性，有效化简效率和功的解析式，进而从微观层面揭示测量基矢的调控如何提升热机的性能。研究发现改变测量基矢，主要是通过抑制量子相干效应，起到类似“量子润滑剂”的效果。该研究结果可促进量子引擎新燃料的开发并有望在核自旋量子体系得到实验验证。

图2. 量子测量热机(a)对外所做的功<-W>，(b)效率η以及测量过程的熵变△S随测量角度的变化。

相关成果以“Suppressing coherence effects in quantum-measurement based engines”为题，于2021年12月22日发表在Physical Review A上[Phys. Rev. A 104, 062210 (2021)]。2017级本科毕业生林智远为第一作者，指导老师为苏山河副教授与陈金灿教授。该工作得到了国家自然科学基金面上项目(项目号11805159和40112075197)和福建省自然科学青年基金(项目号2019J05003)的支持。林智远同学于今年7月毕业，已保送到南京大学直博，在学期间已先后在物理学报和Chinese Physics B各发表一篇论文，本次发表论文为该同学本科期间的第三个工作。

文章链接

https://journals.aps.org/pra/supplemental/

10.1103/PhysRevA.104.062210

参考文献

[1] L. Sonderhouse, C. Sanner, R. B. Hutson, A. Goban, T. Bilitewski, L. Yan, W. R. Milner, A. M. Rey, J. Ye, Nat. Phys. 6, 1216-1221 (2020).

[2] K. Ono, S. N. Shevchenko, T. Mori, S. Moriyama, F. Nori, Phys. Rev. Lett. 125, 166802 (2020).

[3] G. Watanabe, B. P. Venkatesh, P. Talkner, M. Hwang, A. del Campo, Phys. Rev. Lett. 124, 210603 (2020).

[4] F. Carollo, F. M. Gambetta, K. Brandner, J. P. Garrahan, I. Lesanovsky, Phys. Rev. Lett. 124, 170602 (2020).

[5] O. Maillet, D. Subero, J. T. Peltonen, D. S. Golubev, J. P. Pekola, Nat. Commun. 11, 4326 (2020).

[6] C. Elouard, D. Herrera-Martí, B. Huard, A. Auffèves, Phys. Rev. Lett. 118, 260603 (2017).

[7] C. Elouard, A. N. Jordan, Phys. Rev. Lett. 120, 260601 (2018).

[8] S. K. Manikandan, F. Giazotto, A. N. Jordan, Phys. Rev. Applied 11, 054034 (2019).

[9] M. Ribezzi-Crivellari, F. Ritort, Nat. Phys. 15, 660-664 (2019).

[10] L. Buffoni, A. Solfanelli, P. Verrucchi, A. Cuccoli, M. Campisi, Phys. Rev. Lett. 122, 070603 (2019).

[11] S. Seah, S. Nimmrichter, V. Scarani, Phys. Rev. Lett. 124, 100603 (2020).

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