在量子比特中觀察到的量子熱機行為

2020-10-08 工程學習


比較測得的峰值電流（上）和計算出的勵磁概率（下），表明該設備在非相干狀態（左）和相干狀態下的功能完美匹配，在該狀態下功能成為熱機和制冷機運行的疊加（右）。

儘管當今許多公認的經典熱力學理論甚至早在它們幫助推動的工業革命之前就已經提出，但是關於這些思想如何轉化為單量子系統的水平仍然存在許多懸而未決的問題。尤其是，狀態疊加的潛力對熱力學行為尚未探索。現在，由日本，烏克蘭和美國的研究人員合作開發了一種量子裝置，該裝置不僅可以類似於熱力發動機和冰箱，而且可以同時疊加兩者。

與日本RIKEN有隸屬關係的Keiji Ono，Sergey Shevchenko和Franco Nori以及他們的其他機構，包括B. Verkin低溫物理與工程研究所和密西根大學，都一直在以各種形式處理量子比特。他們聚在一起研究基於矽中雜質的量子位的性能，以進行量子幹涉測量，然後將注意力轉移到這些系統的性能如何類似於經典熱機上。

實驗挑戰

在量子水平上探索熱力學開闢了一些有趣的可能性。舍甫琴科舉例說：「在這一領域中討論的主題之一是量子熱機克服經典熱機效率的可能性。」 但是，這並非沒有挑戰，這意味著到目前為止，大多數研究僅是理論上的。舍甫琴科告訴Phys.org，在量子工程的其他特徵中，重要的是要具有「熱，緻密和相干」的量子位。在這裡，「熱」是指在少數開爾文狀態下工作，儘管仍然相當冷淡，但與需要冷卻至毫微摩爾的系統相比，其技術難度較小。權衡是這樣的熱系統更難描述和控制，但是在這裡，

Ono，Shevchenko和Nori及其合作者基於由矽中密集注入的雜質製成的隧穿場效應電晶體進行量子熱力學研究。在源極增益電壓下，通過器件的傳輸主要是通過在表面附近（淺）的一種雜質與材料中附近但較深的一種雜質之間的隧穿來進行的，從而創建了一種具有兩個能級的器件。器件的電子傳輸行為引起了有趣的自旋特性，特別是電子自旋共振其中特定的交，直流磁場的源漏電流達到峰值。從這個共振峰，他們能夠提取出兩個特徵性的時標，它們反映了雜質上激發態的壽命及其去相干時間。退相干時間定義了其波函數與其他波函數之間保持確定的相位關係多長時間，從而允許疊加和幹涉。

除了能夠用柵極電壓驅動器件以填充兩個能級之外，研究人員還可以通過調製磁場​的頻率和幅度來調整能級之間的間隙。結果，取決於系統是在間隙較大時還是在間隙較小時還是鬆弛時驅動到激發狀態，反之，其運行方式將類似於奧託熱機或冰箱。當弛豫周期和驅動電壓周期開始重合時，就會出現有趣的量子效應。在這一點上，他們表明設備功能可以同時處於引擎狀態和冰箱狀態。勵磁概率的理論計算與測得的峰值電流完全匹配。

局限性和未來發展

他們的量子設備的操作與傳統的熱機或制冷機之間有一些區別。特別是，沒有熱浴，儘管它們的設備連接到較高和較低電壓的導線上，充當熱浴的電類似物。不過，舍甫琴科說：「考慮到微型發動機和微型冰箱的量子疊加的新可能性，這是令人驚訝的。」

雖然首先認識到在宏觀或經典情況下，這種設備無法滿足許多實際需求，但研究人員希望，對於量子物體，它可能會引入不僅有趣而且有用的新功能。另一個例子是，舍甫琴科援引了這種雷射器，該雷射器是在如今無處不在的應用變得顯而易見之前發明的。舍甫琴科告訴Phys.org：「我們相信我們的結果具有科學意義。」 「目前，我們正在探索其基本物理學，[相信]目前可能的應用尚不清楚。這通常發生在科學中。」

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