薛鹏组首次实验演示量子引擎：仅靠测量提供动力

光子盒研究院出品

北京计算科学研究中心薛鹏教授课题组与其合作者实验演示了以纠缠和局部测量为动力的双量子比特引擎；通过扩展单光子的空间模式，将其扩展并适用到了多量子比特系统。这一系列实验提供了对纠缠和局部测量作为量子引擎动力的深入理解。

相关成果以《由纠缠和局部测量驱动的量子引擎的实验演示》为题[1]，发表在期刊《物理评论研究》上。

01

量子信息与热力学的结合

引擎的一个普遍任务是以循环重复的方式从热浴（hot bath）中提取机械功。虽然目标相同，但当引擎的工作物质为量子时，随机性的来源会有所不同。如今，对量子引擎的分析主要致力于研究热力学中的量子效应、经典引擎的量子类似物。人们对量子引擎的热情日益高涨，将有可能克服传统的经典效率极限、更好地理解量子领域的热化，并控制微观系统的非平衡动力学。

为了理解量子热力学效应可能产生的影响，量子测量将发挥重大作用。选择性测量（或将被测系统投射到所选特征态的读取测量）和非选择性测量（或未读测量，在所有可能的结果上平均选择一个）都被用作测量驱动引擎的一种“燃料”。然而，以前的研究中使用的是经典的测量设备，“燃料”被确定为测量定理的能量对应物。

从热力学的角度理解纠缠和量子测量是一项基本的、具有挑战性的任务。此次实验中，薛鹏教授团队提出了双量子比特引擎，作为解决这些挑战的合适平台：实验模拟了一个由两个不同自由度的单光子编码的量子比特组成的量子测量动力引擎，它们通过干涉网络实现的量子启发的相干交换而成为纠缠。然后，团队实现了局部测量，它被建模为一个量子比特和一个仪表之间的纠缠，然后将“燃料”确定为消除量子相关的能量成本。

(a)双量子比特（A和B）引擎循环的图示：(i)纠缠演化，(ii)测量，(iii)反馈，和(iv)擦除。(b)实验装置。一个光子对由周期性的磷酸钛钾晶体（PPKTP）中的自发参量下转换产生，其中一个作为触发器，另一个作为预示的单光子注入干涉测量网络。两个量子比特的初始状态是|RH⟩，随后，由光束置换器（BD）、半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）组成的干涉测量网络实现了单元操作U(t）。为了实现对量子比特B的局部测量，另一个BD被用来扩展空间模式，这些空间模式被用来编码仪表量子比特。对B的测量结果由两个BD和放置在不同空间模式的HWP实现，投影测量和状态断层扫描分别用于测量引擎的能量和熵；光子通过硅雪崩光电二极管（APD）检测。

最后，通过测量提取的信息应用反馈，结果显示，功效率随着测量提取的信息而增加；在局部测量时，经典的相互信息可以被提取出来，以推动量子测量引擎。通过测量能量变化，团队发现能量增益来自于测量通道，并对应于抹去量子比特之间的量子关联成本。

(a)局部能量EL（红色实线）、结合能（binding energy）EC（蓝色实线）和总能量ET（灰色虚线）在固定ωA=1（ωA是量子比特A的转换频率）和δ=g=0.8的情况下作为τ的函数的演变。(b)测量过程中输入的平均能量Emeas和(c)熵Smeas及其比率Emeas/Smeas作为不同耦合强度g和固定ωA=1的失谐δ的函数。(e)Emeas、(f)Smeas和(g)Emeas/Smeas作为不同δ和固定ωA=1的g的函数。黑色点状虚线表示极限δg。实验数据用彩色符号表示，误差条是由于光子计数的统计不确定性造成的。

(a)功提取率η（色标）的理论预测，作为失谐δ和经典互信息I（AB：M）的函数。参数ωA = 1和g = 0.8是固定的。灰色区域对应于η≤0，在反馈过程中不能提取能量。(b)η和(c)I(AB : M)的实验结果是不同误差概率P下δ的函数。理论预测用彩色曲线表示，实验数据用彩色符号表示。误差条是由于光子计数的统计不确定性造成的。

所有这些过程，包括两个量子比特之间的相互作用的演变，局部测量和反馈，都是用单光子和线性光学实现的。

02

进一步推广：N-量子比特引擎系统

随后，该方案被进一步推广到一个N-量子比特引擎系统上：其中第一个量子比特A的低能量可以向上转换为最后一个量子比特B的任意高能量。

(a)通过扩展燃料机制到N个量子比特链，实现基于纠缠和局部测量的能量上转换。(b)在不同的链长N、固定的ωA=1和δ=0.8的情况下，能量上转换的测量成功概率Psucc是g的函数。

(a)在一个N-量子比特链中实现能量上转换的电路。(b)上图：(a)的简化电路，通过将不同量子比特上的测量转化为不同时间内只有两个量子比特上的测量来实现的。下图：实验设置。通过在|LH⟩中初始化光子的状态，相互作用只需通过两个BD和波片来实现。

通过扩展到N-量子比特链的能量上转换，实验结果提供了对这种以纠缠和局部测量为新的燃料的量子引擎的透彻理解，以及探索量子引擎的一般平台。

因此，该实验工作为量子引擎的系统性实验研究，提供了一个多功能的平台，并将激励人们在各种物理平台上进一步研究纠缠量子引擎。这一研究阐明了燃料机制，将有助于未来的引擎开始使用量子测量作为燃料。

关于薛鹏教授[2]：

薛鹏，女，北京计算科学研究中心教授、博导。本科毕业于中国科学技术大学物理系，并免试进入本校中科院量子信息重点实验室攻读博士学位，师从郭光灿院士。之后赴奥地利因斯布鲁克大学物理系、奥地利科学院量子光学和量子信息研究所，以及加拿大卡尔加里大学物理系作为博士后从事量子信息的物理实现以及量子光学的基础研究工作，致力于利用量子行走实现普适的量子信息处理平台的研究工作。2009年回国加入东南大学物理学院，2018年调入北京计算科学研究中心。

在国际顶级学术期刊以第一/通信作者发表学术论文130余篇，文章被Science, Nature等国际主要学术期刊近4000次引用，单篇引用达400余次，受邀在国内外专业学术会议上作大会报告并论文宣读达百余次。先后主持多项国家自然科学基金、省部级项目。先后入选东南大学优秀青年教师教学科研资助计划、东南大学青年特聘教授、江苏省六大人才高峰、江苏省杰出青年基金、国家杰出青年科学基金、王大珩光学奖中青年科技人员奖。

最后给薛鹏老师做一个广告，对量子感兴趣的小伙伴可以关注哔哩哔哩“薛鹏老师”。当然光子盒也在B站入驻了，欢迎关注！

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.L032042

[2]http://www.csrc.ac.cn/groups/xuepeng/members.html

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：