量子热机及制冷机的理论设计和应用

Quantum heat engine and refrigerator , which is an interdisciplinary research field between quantum thermodynamics and information science, has been greatly interested by both theoretical and experimental physicist all over the world. The combination between theory and experiment is one of the most important problems in this field. Based on the leading progress of quantum simulation platforms, the object of the project is to discover the realizable quantum heat engine and refrigerator models. The detailed research contents include the quantum heat engine and refrigerator models in trapped ion systems and cold-atom systems in optical lattices, the realization of Maxwell’s demon in the above models and corresponding effects of quantum information processing, and automatic quantum heat engine and refrigerator models. This project aims at propel the integration of the theoretic and experimental aspects of quantum thermodynamics, and explore the realization and potential application of the quantum heat engine and refrigerator.

量子热机与制冷机是信息科学与量子热力学的交叉科学，在国内外均受到理论和实验科研工作者的极大重视，同时具有理论和实践上的重要意义。将量子热机与制冷机的理论研究与实际的物理实验相联系是该领域的重要问题之一。本课题立足于流行的量子模拟平台，以在目前实验技术水平下可实现的量子热机和制冷机的模型为主要工作目标。具体的研究内容包括在束缚离子系统及光晶格中的冷原子系统中的量子热机和制冷机模型，麦克斯韦妖在上述模型中的应用和相应的量子信息处理过程，以及自动化的量子热机和制冷机模型。本课题旨在推动量子热力学理论与实验的结合，探求量子热机与制冷机理论的实现及其潜在应用价值。

近年来，量子热力学是一项快速发展的交叉学科，与量子信息学的交叉研究产生了丰富的成果。本项目的拟解决的主要科学问题是对小量子系统的量子热力学量给出令人满意的理解，并研究量子热力学在量子模拟和量子信息领域的潜在应用。.本课题所关注的研究重心着眼于机械功，这一概念不仅在经典热力学中具有核心地位，而且在量子热力学领域具有了新的内涵。在量子领域，经典的功的概念只在系综平均的意义上成立，更重要的是，固有的量子涨落只能最近发明的新概念——量子轨道功——来描述。在本项目实施的过程中，我们研究了退相干环境下驱动量子开系统的功分布，驱动量子气体的功分布的量子——经典对应，以及绝热捷径的热力学代价。除此之外，我们还研究了量子计算和量子模拟的实验实现的某些方面。具体来说，通过与离子阱量子计算实验组的合作，我们实现了相干时间超过10分钟的单量子比特，以及包括量子JC模型、量子拉比模型和量子场论中的粒子产生湮灭过程等在内的重要量子模型和量子过程的实验模拟。上述研究的论文已发表于SCI收录的高水平国际学术期刊，可以通过联系文章的通讯作者得到全部科学数据。.这些成果加深了我们对于关键量子热力学概念及基本量子热力学过程的理解，为量子热机的设计和潜在应用铺平了道路。在将来，从量子热力学的角度对量子模拟中的动力学过程进行的理论分析将会是富有洞见的，有可能指导更高效的量子设备的设计和制造。