导读

近日，北京计算科学研究中心薛鹏教授课题组及理论合作者在不确定因果序的应用研究中取得重要进展，首次利用这种不符合传统因果关系概念的量子过程，来提高量子电池的性能。研究成果以“Charging Quantum Batteries via Indefinite Causal Order: Theory and Experiment”为题，于2023年12月13日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

研究背景

量子叠加和其他非经典关联（如量子纠缠等）是量子物理与经典物理的标志性区别。作为重要的量子资源，它们对量子信息、量子光学和量子热力学等许多领域产生广泛的影响。在新兴的量子热力学领域，“量子电池”研究的主要目标是开发能量存储设备。传统的量子电池充电协议受到一个被称作population ratio的边界的限制。

另一方面，当代物理学在努力调和我们理解宇宙的两大理论支柱：广义相对论和量子力学。尽管目前尚无“量子引力”的完整理论，但人们认为应将对因果结构概念的修正纳入量子引力中。在广义相对论中引入量子力学的性质，将导致事件发生的因果序的叠加。这种因果序变得不可分离或不确定的过程，被称作“不确定因果序”（indefinite causal order, ICO）。传统上，即使在量子力学的背景下，事件也只能按照固定的因果序发生，即“事件A发生在事件B之前”或者相反，这种传统情景，被称为确定因果序（definite causal order, DCO）。而不确定因果序允许这两种可能性处在量子叠加状态下。近年来对不确定因果序的研究证明了它的重要应用价值。 

研究亮点

在这项工作中，薛鹏团队及其合作者研究了不确定因果序在量子电池中的应用。实验上，对不确定因果序这一过程的研究，可以通过量子开关 (Phys. Rev. A 88, 022318 (2013)) 来实现（如图1所示）。量子开关可以看作是以两个不同因果序的信道作为输入的设备，它由一个顺序量子比特的状态，决定输出的两个信道的不同叠加状态。

图1. 量子开关示意图

这项工作提出了一种不确定因果序的量子电池充电协议（示意图如图2），并通过在光子体系下搭建光量子开关，实验演示了这种新型量子电池充电场景。实验装置如图3所示。

图2. 不确定因果序的量子电池充电场景

他们的研究结果表明，不确定因果序可以提升量子电池充入的能量以及热效率。而且，在这两个指标上都打破了传统量子电池协议的界限。他们还发现了一个反直觉效应：电池和充电装置之间较弱的耦合强度可以导致更好的充电效果。此外，他们通过对不同场景下的充电过程的比较，最终证明不确定因果序在突破传统协议以及产生前述反直觉效应方面起到了关键作用。

图3. 实验装置示意图

总结与展望

这项研究展示了不确定因果序在量子热力学方面的应用潜力。此外，反直觉效应的发现表明了不确定因果序与其它相干受控过程之间的本质区别。值得注意的是，近期的一项工作（Sci. Adv. 8, eabk3160 (2022)）报告了量子电池的第一个物理实现案例，可以预期不确定因果序将在未来更先进的量子电池技术发展中扮演重要角色。

该论文的理论合作者为东京大学的Yoshihiko Hasegawa副教授，薛鹏教授指导的博士生朱高岩和东京大学的Yuanbo Chen (陈袁博)为共同第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.240401