量子糾纏對單離子量子電池性能的影響

摘 要： 文章基于鈣離子阱體系研究量子糾纏效應對單離子量子電池性能的具體影響。通過對馮紐曼熵、儲存能量以及可提取功的數值模擬，分析并比較存在初始糾纏以及初始無糾纏的狀態下，初始糾纏度對單離子量子電池儲存能量以及可提取功的影響。研究發現量子電池的最大儲存能量及最大可提取功都是隨著初始糾纏度的增加而增加。該理論研究為實現離子量子電池，并使用糾纏資源提高其性能提供了新的思路。

關鍵詞： 量子電池; 糾纏度; 可提取功; 離子阱

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0045–05

0 引 言

基于量子熱力學的進步[1]，人們對開發新的量子器件越來越感興趣，這些器件有可能應用于量子信息處理等新興量子技術[2]。在這個方向上，開發存儲量子器件消耗的能量的策略一直是一個亟待解決的問題。2013 年，Alicki 和 Fannes 在信息理論背景下，首次引入了量子電池概念[3]，其中使用了可提取功和被動態等物理概念，其中可提取功是指使用幺正操作從量子系統中提取的最大能量，而可提取功為零的量子態，即用幺正運算無法提取能量的狀態，被稱為被動態。經過十余年發展，量子電池已成為一個重要的研究領域[4]。一般來說，量子電池的充電方案分為兩大類，即集體充電和并聯充電[5-6]。集體充電相對于并聯充電的優勢稱為量子充電優勢[7]。另一方面，為了從量子電池中提取能量，通常會施加系列幺正算符操作，此時可用來衡量量子電池效率的主要物理量則有可提取功、充電功率、功容量等[8]。此外，為了追求量子優勢和可能的實驗實現，許多學者基于不同的模型中的可控哈密頓量來研究量子電池的主要性能，例如XXZ 海森堡自旋[9]，自旋腔[10]，線性光學體系[11] 等。量子電池實驗方面，已陸續在核磁共振[12]、超導量子位[13]、量子點[14] 等不同的物理體系上開展了初步探索。

需要強調的是，糾纏性和量子相干性作為重要的量子力學效應，必然會對量子電池的主要性能產生重大的影響，這個方面的研究已經引起了關注[15]。基于以上研究進展，本文將聚焦于離子阱體系中糾纏對量子電池充放電性能的影響，具體研究離子內外態糾纏這一資源對量子電池可儲存能量以及可提取功的具體影響。