Precision Measurement Institute dan Lembaga Lain Membuat Kemajuan dalam Eksplorasi Eksperimental Mesin Kuantum

Kelompok Riset Pemrosesan Informasi Kuantum Sistem Terikat dari Institut Sains Pengukuran Presisi dan Inovasi Teknologi Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok (IPMSI), bekerja sama dengan Institut Riset Teknologi Industri Guangzhou (GITRI) dan lainnya, telah secara eksperimental mengeksplorasi efek keterikatan sebagai sumber daya kuantum pada mesin kuantum yang berbasis pada Platform Eksperimen Ion Ultracold 40Ca+. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa mesin kuantum dapat menghasilkan pekerjaan yang lebih bermanfaat saat materi kerjanya berada dalam keadaan terjerat, yang menunjukkan bahwa keterikatan dapat digunakan sebagai "bahan bakar".
Keterikatan merupakan sumber daya kuantum yang unik dalam pemrosesan informasi, yang dapat mempercepat komputasi, memastikan keamanan informasi dalam komunikasi, dan meningkatkan akurasi pengukuran. Saat ini, belum sepenuhnya jelas apakah keterikatan dapat berperan dalam konversi dan penggunaan energi; apakah mesin kuantum dengan sifat keterikatan lebih unggul daripada mesin klasik dan dalam kondisi apa hal ini terjadi masih belum dapat disimpulkan. Pada saat yang sama, hanya ada sedikit studi eksperimental tentang mesin kuantum dengan sistem keterikatan kuantum sebagai materi kerja, dan tidak ada verifikasi eksperimental kuantitatif.
Kelompok ini merancang mesin kuantum dengan sifat keterikatan menggunakan ion 40Ca+ ultradingin yang terikat secara stabil dalam perangkap ion sebagai material kerja. Mesin kuantum membawa beban kuantum. Beban ini diisi oleh mode getaran kuantum yang dibagi oleh ion-ion. Para peneliti menggunakan siklus termodinamika untuk membuat mesin kuantum mengubah energi foton laser melalui substansi kerja (ion) menjadi energi fonon dari beban kuantum, dan mendefinisikan efisiensi konversi. Lebih jauh, untuk memperkirakan berapa banyak energi yang diubah ini merupakan energi yang dapat diekstraksi, yaitu kerja yang berguna, para peneliti mendefinisikan efisiensi mekanis.
Untuk memverifikasi peran keterikatan dalam mesin kuantum, penelitian ini menilai kinerja mesin kuantum secara kuantitatif dengan menyesuaikan keterikatan materi kerja. Dalam percobaan, penelitian ini mengendalikan pengaturan waktu operasi gerbang logika keterikatan dengan memanipulasi laser secara tepat untuk memperoleh materi kerja dengan berbagai tingkat keterikatan. Sementara itu, penelitian ini memperoleh efisiensi konversi dan efisiensi mekanis pada berbagai tingkat keterikatan dengan mengukur jumlah foton yang diserap dalam materi kerja dan jumlah fonon yang ditambahkan dalam beban. Percobaan menunjukkan bahwa nilai maksimum efisiensi mekanis terjadi pada titik di mana materi kerja terjerat secara maksimal, tetapi efisiensi konversi hampir tidak terpengaruh oleh tingkat keterikatan. Analisis data percobaan menunjukkan bahwa mesin kuantum mampu menghasilkan lebih banyak pekerjaan yang berguna ketika materi kerjanya berada dalam keadaan terjerat; dan efisiensi konversi mesin kuantum tidak bergantung pada keterikatan, serta keluaran pekerjaan yang berguna.
Hasil ini memberikan bukti eksperimental bahwa keterikatan dapat memainkan peran "bahan bakar" dalam mesin kuantum, dan menunjukkan bahwa penelitian dan pengembangan mesin kuantum harus lebih memperhatikan efisiensi mekanis daripada efisiensi konversi. Hasil ini memberikan perspektif baru untuk pengembangan perangkat energi mikroskopis seperti motor kuantum dan baterai kuantum.