정밀측정연구소 등, 양자엔진 실험탐색 진전

중국과학원 정밀측정과학기술혁신연구소(IPMSI)의 바운드 시스템 양자정보처리연구그룹은 광저우산업기술연구소(GITRI) 등과 협력하여 Ultracold 40Ca+ 이온 실험 플랫폼을 기반으로 하는 양자 엔진에 양자 자원으로서 얽힘이 미치는 영향을 실험적으로 탐구했습니다. 실험 결과에 따르면 양자 엔진은 작동 물질이 얽힌 상태일 때 더 유용한 작업을 출력할 수 있으며, 이는 얽힘을 "연료"로 사용할 수 있음을 나타냅니다.
얽힘은 정보 처리에서 고유한 양자 자원으로, 계산 속도를 높이고, 통신에서 정보 보안을 보장하며, 측정 정확도를 개선할 수 있습니다. 현재 얽힘이 에너지 변환 및 사용에서 역할을 할 수 있는지 여부는 완전히 명확하지 않습니다. 얽힘 속성을 가진 양자 엔진이 고전적 엔진보다 우수한지 여부와 이것이 발생하는 조건은 결정적이지 않습니다. 동시에, 양자 얽힘 시스템을 작업 물질로 하는 양자 엔진에 대한 실험 연구는 거의 없으며, 정량적 실험 검증은 없습니다.
이 그룹은 이온 트랩에 안정적으로 결합된 초저온 40Ca+ 이온을 작동 물질로 사용하여 얽힘 특성을 가진 양자 엔진을 설계했습니다. 양자 엔진은 양자 부하를 지닙니다. 이온이 공유하는 양자 진동 모드로 채워집니다. 연구자들은 열역학 사이클을 사용하여 양자 엔진이 작동 물질(이온)을 통해 레이저의 광자 에너지를 양자 부하의 포논 에너지로 변환하도록 했고 변환 효율을 정의했습니다. 또한 이 변환된 에너지 중 추출 가능한 에너지, 즉 유용한 작업이 얼마인지 추정하기 위해 연구자들은 기계적 효율을 정의했습니다.
양자 엔진에서 얽힘의 역할을 검증하기 위해 이 연구는 작동 물질의 얽힘을 조정하여 양자 엔진의 성능을 정량적으로 평가했습니다. 이 실험에서 이 연구는 레이저를 정밀하게 조작하여 얽힘 정도가 다른 작동 물질을 얻어 얽힘 논리 게이트 작동의 타이밍을 제어했습니다. 한편, 이 연구는 작동 물질에 흡수된 광자 수와 부하에 추가된 포논 수를 측정하여 다양한 얽힘 정도에서 변환 효율과 기계적 효율을 얻었습니다. 실험 결과 기계적 효율의 최대값은 작동 물질이 최대로 얽힌 지점에서 발생하지만 변환 효율은 얽힘 정도의 영향을 거의 받지 않습니다. 실험 데이터를 분석한 결과 양자 엔진은 작동 물질이 얽힌 상태일 때 더 많은 유용한 작업을 출력할 수 있으며 양자 엔진의 변환 효율은 얽힘과 유용한 작업의 출력과 무관합니다.
이 결과는 얽힘이 양자 엔진에서 "연료" 역할을 할 수 있다는 실험적 증거를 제공하며, 양자 엔진의 연구 및 개발은 변환 효율보다는 기계적 효율에 더 많은 주의를 기울여야 함을 시사합니다. 이러한 결과는 양자 모터 및 양자 배터리와 같은 미시적 에너지 장치의 개발에 대한 새로운 관점을 제공합니다.