[論文レビュー] Experimental entanglement-enhanced work extraction based on a Maxwell's demon

Mario A. Ciampini, Luca Mancino+5 more|Research Portal (Queen's University Belfast)|Jan 25, 2016

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 32被引用数 15

ひとこと要約

本実験的研究では、特に2光子および3光子状態であるもつれ光子量子ビット系が、マクスウェルの悪魔にインspiredされたプロトコルを用いて、分離状態と比較して抽出可能な仕事の余剰を実現できることを示している。主な貢献は、もつれを熱力学的資源として初めて実験的に検証したことであり、GHZ型の真正な多体もつれがW状態や局所性に基づく基準よりも、仕事増幅に寄与する相関を検出する能力に優れていることである。

ABSTRACT

The relation between the theory of entanglement and thermodynamics is very tight: a thermodynamic theory of quantum entanglement, as well as the establishment of rigorous formal connections between the laws of thermodynamics and the phenomenology of entanglement are currently open areas of investigation. In this quest, an interesting problem is embodied by the role played by entanglement in processes of work extraction from a working medium embodied by quantum information carriers. In this work, we experimentally address the question "Is there any intrinsic advantage for work extraction given by the use of an entangled working medium?". By addressing work-extraction protocols based on a mechanism intimately linked to the paradigm of Maxwell's daemon, and implementing suitably designed multi-photon optical interferometers, we demonstrate experimentally the intrinsic advantages for such tasks provided by bipartite and genuine multipartite entanglement. We highlight the unique nature of such tests by comparing their performance to standard tests for the inseparability of multi-photon state resources. Our work contributes strongly to the ongoing efforts in establishing photonic systems as a platform for experiments for information thermodynamics.

研究の動機と目的

• もつれを有する量子作業媒体が、仕事抽出における熱力学的利点を有するかどうかを実験的に検証すること。
• 非古典的相関と量子熱力学における仕事抽出効率の向上の直接的な関連を確立すること。
• もつれに基づく仕事抽出と局所性に基づくもつれの目印の比較を行い、検出能力の差を強調すること。
• 高精度な状態準備と測定が可能なため、光子系が量子熱力学実験の実用的プラットフォームとして有効であることを検証すること。
• 多体もつれが非平衡量子熱力学的プロセスにおける役割を探索すること。

提案手法

• 多光子光学干渉計を用いて、マクスウェルの悪魔にインspiredされた通信支援型の仕事抽出プロトコルを実装すること。
• 自己準位変換と後選択を用いて、2光子および3光子もつれ状態（GHZ状態およびW状態）を準備すること。
• 高精度な密度行列再構成のため、量子状態トモグラフィーを用いること。
• 真正な三体非局所性をテストするため、Svetlichny不等式を用いること。これにより、GHZ型とW型もつれを区別する。
• 局所スピン測定の統計的相関関数を測定し、Mermin-Ardehali-Bell不等式を評価し、Svetlichny関数を抽出すること。
• Svetlichny関数を最大化するための局所測定角度の最適化を行い、真正な三体もつれの度合いを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれを有する量子作業媒体は、制御された熱力学的プロトコルにおいて、分離状態よりも多くの仕事を抽出できるか？
• RQ2 GHZ型とW型の3光子もつれ状態では、仕事抽出プロトコルの性能にどのような差が生じるか？
• RQ3 仕事抽出に基づく基準は、Svetlichny不等式のような非局所性に基づく基準よりも、真正な多体もつれをより効果的に検出できるか？
• RQ4 光子系における非古典的相関の存在を示す抽出可能な仕事の実験的限界は何か？
• RQ5 作業媒体内の非古典的相関は、古典的熱力学的ポテンシャルと比較して、熱力学的効率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 実験的GHZクラスター状態は、$\mathcal{S}^{GHZc}_{3} = 4.83$ のSvetlichny関数値を達成し、強い真正な三体もつれを示している。
• W状態リソースは、$\mathcal{S}^{W}_{3} = 3.39$ を示し、古典的限界の4未満であるため、Svetlichny基準では真正な三体もつれとは見なされない。
• 仕事抽出プロトコルは、Svetlichny不等式が同定できなかったW状態内の非古典的相関を検出できた。これは、プロトコルの感受性が優れていることを示している。
• もつれ状態を用いたプロトコルは、測定可能な仕事の余剰を達成し、もつれが熱力学的資源であることを確認した。
• 実験により、もつれが古典的限界を超えて仕事抽出を強化することが実証され、GHZ型状態が最も高い性能を示した。
• 本研究は、非局所性に基づく基準とは異なる、熱力学的仕事抽出に基づく新たな実験的可視化基準を、多体もつれの検出に確立した。