量子力學(xué)與熱力學(xué)的交匯產(chǎn)生了量子熱力學(xué)這一新興領(lǐng)域。該領(lǐng)域旨在研究量子相干與熱力學(xué)功之間的相互作用。量子熱力學(xué)中的一個關(guān)鍵概念是ergotropy，它定義為通過幺正循環(huán)過程從量子系統(tǒng)中提取的最大功。最近的理論研究強(qiáng)調(diào)了量子相干在增強(qiáng)能中的作用，表明具有更高相干性的量子態(tài)具有更大的功提取能力。然而，這一現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍然有限。

最近發(fā)表在《物理評論快報》的一篇論文，對單自旋系統(tǒng)中的相干能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究人員采用了一種新穎的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，成功地量化了相干能的相干和非相干成分，為量子相干在功提取中的作用提供了直接證據(jù)。

ergotropy與量子相干

ergotropy是量子熱力學(xué)中的一個基本概念，它量化了從量子系統(tǒng)中提取的有用功的數(shù)量。它的計算方法是系統(tǒng)哈密頓量的最大特征值與最小特征值之差。在經(jīng)典熱力學(xué)中，功的提取僅取決于系統(tǒng)狀態(tài)之間的能量差。然而，在量子領(lǐng)域，量子相干可以顯著影響功的提取過程。

量子相干由密度矩陣的非對角元素表征，代表不同量子態(tài)的疊加。理論研究表明，具有更高相干性的量子態(tài)具有更大的ergotropy，這意味著相干性可以被用來增強(qiáng)量子系統(tǒng)的功提取能力。

實(shí)驗(yàn)裝置與方法

該實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)是單自旋系統(tǒng)，這是一個研究量子熱力學(xué)的良好控制平臺。研究人員利用金剛石氮空位中心的單電子自旋形成的固態(tài)量子比特。該量子比特可以制備在各種量子態(tài)下，包括相干疊加態(tài)，從而對它的量子性質(zhì)進(jìn)行精確控制。

為了量化量子比特量子態(tài)的ergotropy，實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于使用由相鄰核自旋實(shí)現(xiàn)的輔助比特，即用于輔助提取ergotropy的次要量子比特。對于較短的演化時間，電子自旋的平均能量可以映射到核自旋的狀態(tài)上，從而使用激光脈沖讀出。然后通過計算兩種能量測量結(jié)果的差異來評估電子自旋態(tài)的效力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子相干與ergotropy之間存在清晰的相關(guān)性。隨著量子比特狀態(tài)相干性的增加，ergotropy也隨之增加，證實(shí)了理論預(yù)測。此外，研究人員能夠量化ergotropy的相干和非相干成分，揭示了總ergotropy的很大一部分可以歸因于量子相干的存在。

這些發(fā)現(xiàn)對量子熱力學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。它們突出了量子相干作為功提取資源的潛力，為量子熱機(jī)和其他量子熱力學(xué)裝置的開發(fā)開辟了新的途徑。此外，本研究中開發(fā)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以應(yīng)用于研究其他量子熱力學(xué)現(xiàn)象，例如量子制冷和量子信息處理。(www.ws46.com)

結(jié)論

單自旋系統(tǒng)中相干ergotropy的實(shí)驗(yàn)研究是量子熱力學(xué)領(lǐng)域的一個重要里程碑。通過證明量子相干與功提取之間的直接聯(lián)系，該研究為量子效應(yīng)在熱力學(xué)過程中的作用提供了令人信服的證據(jù)。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，理解量子相干與熱力學(xué)之間的相互作用對于開發(fā)高效強(qiáng)大的量子器件將至關(guān)重要。