喜讯:我院理论物理团队在量子电池可提取功的理论研究方面取得重要进展

近日,我院杨文力教授率领的理论物理团队在量子电池中可提取功的理论研究方面取得系列成果,团队从量子资源理论的角度系统研究了量子电池中可提取功与各种量子资源之间复杂而微妙的关系,建立了电池-充电器之间量子纠缠、电池的量子相干与电池可提取功之间的准确联系,为后续理论和实验研究提供了重要指引。

最新研究成果以“Entanglement, coherence, and extractable work in quantum batteries”为题,于9月23日发表在物理学领域期刊Physical Review Letters上。


文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.130602

现代实验技术已经能够实现在量子比特水平上探测和操纵物理系统,这要求在微观尺度上考虑量子特性来重构热力学三大定律。其中关键问题之一就是研究量子关联对于可提取功的影响。近30年来,量子信息理论学家针对量子纠缠、量子相干等量子关联建立起了相应的资源理论。尽管这些量子资源理论深化了人们对于纠缠和相干的理解,但是在有限时间非平衡热力学过程中不同量子关联之间会出现必然的耦合,从而使分析量子电池充电动力学变得非常棘手。存在不同类型的可提取功又会带来进一步理论分析的困难。如何明确纠缠和相干对于量子电池可提取功的作用是一个重要的难题。研究团队在2017年就成功揭示了量子相干在Grover量子搜索算法中的资源属性[Phys. Rev. A 95, 032307 (2017)], 论文获得120余次引用。2020年,团队又在量子热机中发现了量子相干的资源属性[J. Phys. A 53, 085301 (2020)]。2021年,针对中心自旋量子电池,解析计算了两电池单元的充电动力学,证明了纠缠对于可提取功的抑制作用[Phys. Rev. B 104, 245418 (2021)]

前期文章链接:

1. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.95.032307

2. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1751-8121/ab6a6b

3. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.245418

该研究在前期研究的基础上首次给出了模型不依赖的证明,证明了量子相干和量子纠缠在量子电池产生可提取功过程中是必不可少的量子资源。同时,基于团队早期以及其他研究者的工作,首次在量子电池中将可提取功分为相干功和非相干功两部分,建立了它们与量子资源之间清晰的关系。证明了当量子电池充电动力学结束时,相干性有助于提高相干功,但是量子对角熵(即量子相干与量子纠缠之和)又抑制了非相干功的产生。


图1 非相干量子电池中量子纠缠与可提取功的关系

图2 一般量子电池中对角熵、量子相干与可提取功的关系


该工作得到了审稿人高度的评价:“对研究可提取功与相干和纠缠的关系做出了重大的贡献(adds a great contribute to the investigation of how the extractable work is related to coherence and entanglement.)” “文章中提出的定理具有普适性(it is very important that the theorems presented in the manuscript are general and not limited to a single model, as in some of the previous literature.)” “提出了许多可以促进量子电池领域未来研究的观点(presents many points that can stimulate future research in the area of quantum batteries.)”

西北大学是该论文的第一研究单位,西北大学理论物理团队量子信息学习小组成员史海龙(已保送至中科院武汉精密测量院硕博连读)和丁姝(西北大学维多利亚vic67中国线路硕士生)是论文共同第一作者。本论文是量子信息学习小组的研究成果首次在Physical Review Letters上发表,王晓辉教授和杨文力教授为论文共同通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金委“彭桓武高能基础理论中心”项目和国家自然科学基金项目,陕西省自然科学重大基础研究项目的支持。

西北大学量子信息学习小组是在杨文力教授与中科院物理所范桁研究员共同指导下,由维多利亚vic67中国线路王晓辉教授具体负责的主要面向本科生的科研训练平台,截至目前,已指导本科生以第一作者在Physical Review A/B等国际著名期刊发表SCI论文15篇。




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