熱力学における仕事とは何ですか?この基本的な問題は、特に小さな量子システムを扱う場合に、今日でも議論されています。 1824 年、Sadi Carnot は、仕事を、例えばエネルギーに利用できる有用なエネルギーと定義しました。彼の影響力のある論文 Reflections on the Motive Power of Fire で重りを持ち上げます .次に、仕事を生成する一般的な方法は、異なる温度の 2 つの熱リザーバー間で動作する熱機関でサイクルを実行することです。このようなエンジンのサイズが小さい場合 (たとえば、生物学的システムのコンテキストで)、まったく同じサイクルが実行された場合でも、異なる作業結果が得られる可能性があります。これは熱変動によるもので、大規模な巨視的システムでは無視できますが、微視的領域では重要な役割を果たします。
このような小さなシステムの意味のある仕事の定義を与えるには、仕事を確率量として定義すると便利です。仕事を単一の数値に関連付ける代わりに、特定の熱力学的プロセスが与えられた場合に、確率分布をさまざまな可能な仕事の結果に関連付けます。
量子システムを扱うとき、仕事の概念は再び挑戦されます。これは基本的に、量子重ね合わせの現象によるものです。量子システムは、同時に複数の状態にあるかのように動作し、量子干渉という不可解な現象を引き起こします。いくつかの異なるエネルギーが同時に共存する可能性があるため、これが (確率的) 仕事の概念を「曖昧」にする可能性があることは想像に難くありません。
この状況から抜け出す自然な方法は、測定を実行することです。量子力学の仮定により、観測された大きさの可能な結果に確率を割り当てることができます。ただし、仕事の測定値を見つけるのは困難です。これは、仕事が 1 回限りの量 (位置やエネルギーなど) に関連付けられているのではなく、熱機関のサイクルなどのプロセスに関連付けられているためです。当然のことながら、「プロセスに依存する」量を測定する独自の方法はありません。たとえば、継続的に測定されるシステムと、プロセスのエンドポイントでのみ測定されるシステムを比較します。結果として、異なる測定スキームは異なる量子仕事分布につながる可能性があり、これは論争と過去数年間の豊富な科学的議論につながっています.
量子仕事を定義するための最も標準的で広く使用されているアプローチは、2 エネルギー測定アプローチです。基本的には、プロセスの最初と最後にエネルギー測定を行い、測定結果の差によって仕事が与えられます。このアプローチは、特に有名なゆらぎ定理を量子領域に拡張することによって、広く成功することが証明されています。ただし、最初の測定が誘発する逆作用が原因で、初期状態が持つ可能性のある量子コヒーレンスを破壊するため、このアプローチが望ましくないシナリオがあります。
バックアクションは、量子測定では遍在しています。古典的なシステムとは異なり、量子システムは、それらを観察する行為そのものによって摂動されます。このような反作用を最小限に抑えるために、いくつかの戦略を追求することができます。 1つは弱い測定値で、状態に関する情報がほとんど得られないという代償を払って、状態をほとんど乱しません。もう 1 つの概念的に異なるアプローチは、グローバル測定です。つまり、システムの複数のコピーに同時に作用する測定値です。複数のコピーを処理することで、各コピーに個別に誘発される逆作用を減らしながら、より多くの情報を取得できると想像するのはかなり自然なことのように思えます。これは、時間の異なるインスタンスで異なるコピーに対して異なる測定を実行できるため、作業などの「プロセスに依存する」量に特に関連しているようです。
最近の記事では、量子仕事を推定するための集団測定が提案されています。この新しいアプローチの利点は、コヒーレンスのない初期状態 (つまり、2 エネルギー測定アプローチには逆作用がない) に対して 2 エネルギー測定アプローチの結果を正確に再現する一方で、存在下での逆作用を低減することです。
最近、中国科学技術大学のグループが初めて集団測定スキームを実験的に実施しました。全光学セットアップで決定論的に実現されています。実験の中心となるアイデアは、最初 (2 番目) のコピーを単一光子のパス (偏光) 自由度にエンコードすることです。 2 キュービット状態の準備後、それらは目的の集合測定に供給されます。従来の 2 射影エネルギー測定スキームをシミュレートするために、比較実験も実行されます。両方の測定スキームは、線形光学技術に基づいています。
実験結果は、集団測定スキームが、未測定の進化に近い遷移確率を生み出すことにより、測定の逆作用を減らすことができることを示しています。これらの結果は、集合測定が多くのタスクで重要な役割を果たす量子熱力学および量子情報科学における新しい概念的および技術的発展を刺激することが期待されています。
これらの調査結果は、最近 Science Advances に掲載された「実験的に、集団測定による仕事分布における量子測定の逆作用を減らす」というタイトルの記事に掲載されています。 .
