[论文解读] Collectively enhanced high-power and high-capacity charging of quantum batteries via quantum heat engines

Kosuke Ito, Gentaro Watanabe|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2020

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于量子热机（QHE）的充电协议，用于由N个两能级系统组成的多体量子电池（QB），通过集体量子效应实现渐近完美充电，并使平均充电功率近乎达到N阶增强。其机制依赖于有效负温度和类似超辐射的协同作用，仅利用热能和简单的局域相互作用即可实现高容量、高功率充电。

ABSTRACT

As a model of so-called quantum battery (QB), quantum degrees of freedom as energy storage, we study a charging protocol of a many-body QB consisting of $N$ two-level systems (TLSs) using quantum heat engines (QHEs). We focus on the collective enhancement effects in the charging performance of QBs in comparison to the individual charging. It is a challenging goal of QBs to achieve large collective enhancements in the charging power and the capacity while keeping the experimental feasibility, the stability, and the cheapness of the required control and resources. We show that our model actually exhibits these features. In fact, our protocol simultaneously achieves the asymptotically-perfect charge and almost $N$-order average power enhancement with only thermal energy resource and simple local interactions in a stable manner. The capacity is collectively enhanced due to the emergent bosonic quantum statistics caused by the symmetry of the interaction between the engine and the batteries, which results in asymptotically perfect excitation of all the TLSs. The charging speed, and hence the average power are collectively enhanced by the superradiance-like cooperative excitation in the effective negative temperature. Our results suggest that QHEs actually fit for a charger of QBs, efficiently exploiting the collective enhancements, not only converting the disordered thermal energy to the ordered energy stored in quantum degrees of freedom.

研究动机与目标

• 开发一种实验上可行的量子电池（QB）充电协议，通过集体量子效应实现高功率和高容量。
• 解决在保持实验简单性、稳定性及低资源成本的前提下，同时实现充电功率和容量的大规模集体增强的挑战。
• 探索量子热机（QHE）是否可通过利用超辐射等集体现象（如有效玻色-爱因斯坦凝聚）作为高效、可扩展的QB充电器。
• 证明热能输入与局域相互作用的结合可实现平均充电功率的近N阶标度，以及渐近完美充电保真度。
• 提供一个基于现有量子系统（如C-分流通量任意子和氮-vacancy中心）的可行实验实现平台。

提出的方法

• QB由N个两能级系统（TLSs）组成，与在两个不同温度热浴之间工作的量子热机（QHE）耦合。
• QHE被建模为一个三能级系统（例如，电容分流通量任意子），经历循环跃迁，从热浴中提取能量，并相干地传输至QB。
• 充电过程由N-TLS系统集体Dicke类态空间中的单激发级联跃迁驱动，每一步由有效跃迁速率 $ W_{N,m} $ 控制。
• 系统从基态 $ \ket{N/2, -N/2} $ 演化至完全激发态 $ \ket{N/2, N/2} $，动力学由保持Dicke基中对角元守恒的主方程描述。
• 平均充电功率标度为 $ \sim \frac{2 \log N}{\Gamma_e (e^{-\beta_e \omega_0} - 1) N} $，导致 $ \tau_1 / \tau_N \sim N / \log N $，表明近乎N阶加速。
• 集体增强源于有效负温度和费米子统计，实现类似超辐射的协同激发，从而实现渐近完美充电。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子热机（QHE）能否仅利用热能和局域相互作用，实现多体量子电池（QB）的高功率和高容量充电？
• RQ2 平均充电功率随系统尺寸N的标度关系如何？能否实现近N阶增强？
• RQ3 QB的集体行为如何通过与QHE的相互作用而涌现？有效负温度在此过程中起什么作用？
• RQ4 系统能否通过集体量子效应实现渐近完美充电保真度？
• RQ5 该协议在当前量子硬件（如超导任意子和NV中心）上是否具有实验可行性？

主要发现

• 该协议实现了渐近完美充电保真度，最终态趋近于 $ \ket{N/2, N/2} $，表明所有N个两能级系统均被完全激发。
• 平均充电功率标度为 $ \sim \frac{2 \log N}{\Gamma_e (e^{-\beta_e \omega_0} - 1) N} $，导致速度比 $ \tau_1 / \tau_N \sim N / \log N $，表明近乎N阶增强。
• 充电功率的集体增强源于有效负温度区域内的类似超辐射的协同激发过程。
• 容量增强由相互作用对称性引发的有效玻色统计驱动，形成一种激发态玻色-爱因斯坦凝聚。
• 该模型仅使用热能和简单的局域相互作用，确保了实验可行性与稳定性，无需全局操作或复杂纠缠制备。
• 该协议可在现有平台上实现：以C-分流通量任意子作为QHE，以NV中心作为QB，相干耦合与热浴工程已得到实验验证。