[논문 리뷰] Implementation of a Quantum Engine Fuelled by Information

John P. S. Peterson, R. S. Sarthour외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 17.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics참고 문헌 22인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양자 입자의 위치를 측정한 정보를 얻어 한 열 reservoir 에서 열을 추출하고 이를 전적으로 일로 변환하여 양자 질량을 올리는 첫 번째 실험적 구현을 보여준다. 실험은 높은 정밀도로 작동함을 확인하고, 랑데르의 원리에 따라 정보에서 에너지로의 전환의 열역학적 일관성을 검증한다.

ABSTRACT

Here, we show the implementation of a complete cycle of a quantum engine fuelled by information. This engine is a quantum version of the Szilard engine, where information is used to extract heat from the environment and fully convert it into work. In our experiment, this work is used to make a weight, initially in the ground state, reach its excited state. We measure the energy and the state of each component of the engine, after each step of the cycle, and compare them with the theoretical prediction to show that the cycle is implemented with high precision. We also perform experiments to show that the engine is well isolated from the environment after the heat extraction, and we measure the entropy of the weight to show the full conversion of heat into work. Thus, we successfully demonstrate that information can be used as a fuel for single-reservoir engines.

연구 동기 및 목표

• 단일 열 reservoir 에서 작동하는 완전한 폐쇄 사이클 양자 엔진을 실현하여 고전적 제한을 극복한다.
• 정보가 단일 열 reservoir 에서 열을 전적으로 일로 변환할 수 있음을 실험적으로 검증한다. 이는 수지르드 엔진의 개념에 부합한다.
• 시스템 구성 요소의 에너지 이행, 상태 진화, 엔트로피 변화를 측정하여 사이클의 열역학적 일관성을 확인한다.
• 메모리 지우기 과정에서 소비된 에너지가 피드백 단계에서 추출된 에너지와 동일한지를 확인함으로써 랑데르의 원리를 양자 맥락에서 검증한다.

제안 방법

• 13C 라벨링이 된 trans-crotonic acid 분자의 네 큐비트 핵 스핀 시스템을 사용하였으며, 큐비트는 입자, 딜레마의 메모리, 질량, 메모리 지우기 위한 보조 큐비트를 나타낸다.
• NMR 기법을 사용하여 사이클을 실현하였으며, 스핀 상태를 제어하고 네 단계인 열화, 측정, 피드백, 지우기의 순서를 시뮬레이션하기 위해 맞춤형 고주파 펄스를 적용하였다.
• 각 사이클 단계 후 각 큐비트의 밀도 행렬을 측정하기 위해 양자 상태 단층 촬영을 사용하였으며, 이는 이론적 예측과 정밀한 비교를 가능하게 하였다.
• 하이젠베르크 해밀토니안은 자장항 및 스칼라 결합 항을 통해 설계되었으며, H₀ = Σ(ħ(ωₖ−ωᵣ)σᶻₖ)/2 + Σ(Jₖₙσᶻₖσᶻₙ)/4 로 표현되며, ωᵣ 는 첫 번째 및 네 번째 스핀 주파수의 평균으로 설정되었다.
• 공통 오류를 고려한 방법을 사용하여 펄스 최적화를 수행하였으며, 이로 인해 느슨함 시간(T₁ ≈ 10 s, T₂ ≌ 1 s)에도 불구하고 높은 정밀도의 게이트 작동이 가능해졌다.
• 자기장 기울기를 사용하여 열 상태에서 시작하는 진위 순수 상태를 준비함으로써 양자 일 추출의 관찰을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 열 reservoir 를 사용하여 수지르드 엔진의 완전한 양자 사이클을 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 양자 시스템의 위치를 측정하여 확보한 정보가 폐쇄 사이클 내에서 열을 전적으로 일로 변환할 수 있는가?
• RQ3 딜레마의 메모리 지우기 과정에서 소비된 에너지가 랑데르의 원리에 따라 예측된 바와 같이 추출된 에너지와 동일한가?
• RQ4 질량 상태의 엔트로피를 측정하여 에너지 이행이 순수한 일임을 확인할 수 있는가?
• RQ5 열 추출 후 시스템이 환경으로부터 잘 고립되어 있는가? 이는 부가적인 에너지 교환을 방지한다.

주요 결과

• 측정된 상태 진화가 모든 구성 요소에서 이론적 예측과 일치하여 높은 정밀도로 전체 양자 엔진 사이클이 실현되었다.
• 열 reservoir 에서 추출된 에너지가 질량을 올리는 데 전적으로 일로 변환되었으며, 질량 상태가 기본 상태에서 올린 상태로 진화한 것으로 확인되었다.
• 질량 상태의 엔트로피를 측정하여 에너지 이행이 열 교환을 최소화한 일 유사한 특성을 띠며, 출력의 열역학적 순수성을 검증하였다.
• 피드백 단계 이후 시스템이 고립되었고, 시스템이 올린 상태에서 시작할 경우 에너지 출력이 미미하게 나타나 환경으로의 누출이 최소임을 확인하였다.
• 메모리 지우기 과정에서 소비된 에너지가 피드백 단계에서 추출된 에너지와 정확히 일치하여, 양자 맥락에서 랑데르의 원리가 검증되었다.
• 실험은 전통적인 연료가 아닌 정보가 단일 열 reservoir 양자 엔진의 에너지원이 될 수 있음을 확인하였다.