我院量子調控團隊教師在量子熱機判定領域的合作研究中取得重要進展。近日，國際物理學頂級期刊Physical Review Letters在線發表了中國科學技術大學和湖南師範大學合作完成題為“Spin Quantum Heat Engine Quantified by Quantum Steering”的文章。該工作證明瞭熱機模型-希拉德熱機中，熱庫與工作介質之間的量子導引特性的檢驗可以用於區分經典希拉德熱機和量子希拉德熱機，表明兩者之間的量子導引性質是量子希拉德熱機具有量子優勢的來源。相關研究為解決量子信息科學與量子熱力學之間的關鍵問題提供了新的思路。文章被遴選為編輯推薦（Editors’ Suggestion）和Featured in Physics亮點文章（highlighted article）。《物理》（Physics）亦以“Synopsis”形式做題為“Steering Toward a Quantum Advantage”的評論和報道。

近些年來，微觀尺度下熱機問題引起了越來越多的關註。以往的研究更多的是關註工作介質的量子特性對於熱機性質的影響。雖然研究表明工作介質量子系統的量子相干性可能發揮重要作用，但是另一部分研究示其作用仍存在爭議，沒有明確的結論。因此量子熱機的內在量子優勢的完整理解仍然是難以捉摸的。有別於以往的研究路徑，該工作將研究視角聚焦於工作介質和環境之間的量子關聯，研究發現一種特殊的量子關聯-量子導引在量子希拉德熱機中發揮關鍵作用。

眾所周知，麥克斯韋妖悖論是銜接熱力學與信息學的重要基礎問題。希拉德熱機模型是由希拉德博士根據與麥克斯韋類似的想法，提出的一個研究利用麥克斯韋妖操控一個單分子的熱機模型。小妖精通過測量,瞭解分子所處的位置是在左側還是右側，並最終實現做功，即希拉德熱機實現了從隨機狀態中利用測量得到的信息獲取能量。這種信息到能量的轉換啟發我們將量子信息和熱力學聯繫起來。

在本工作中，研究人員構建了一個量子版本的希拉德熱機模型，工作介質是一個量子比特。妖精並非直接測量工作介質的量子態，而是通過測量與工作介質存在關聯的環境量子比特，獲取工作介質的信息，並實現功提取。通過研究工作介質系統與環境之間的關聯，我們發現量子導引——一種非對稱的量子關聯——與熱機做功的大小有密切的關係。量子導引是由埃爾溫·薛定諤於1935年最先提出的基礎量子關聯概念之一。當妖精可以“導引”工作介質時，希拉德熱機可以提取更多的功。存在量子導引的希拉德熱機（量子）與不存在量子導引的希拉德熱機（經典）可以通過一個優化的導引不等式有效區分，該不等式由工作介質上不同功提取方式的平均功表示。研究結果表明，量子導引不等式破壞越大，量子希拉德熱機的功提取不等式破壞（用於衡量做功超越經典極限的大小）就越大，也就更加體現出量子優越性。研究人員基於金剛石氮-空位色心體系實驗實現了上述量子希拉德熱機。本工作以希拉德熱機為例，展示了量子熱機中量子關聯的獨特作用，為建立量子信息和量子熱力學的橋梁提供了新的思路。

中國科學技術大學杜江峰院士、王亞教授和我院任昌亮教授（理論）為共同通訊作者，中國科學技術大學季文韜、柴梓華與王孟祺為本工作共同第一作者。此項研究得到了科技部、中國科2、國家自然科學基金委、安徽省和湖南省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.090602

美國物理學會Physics雜誌報道: https://physics.aps.org/articles/v15/s28