北京
一项新协议表明，最大量子功取决于对称性，而非对系统确切状态的事先了解。
多年来，物理学家一直将知识视为量子世界中的一种燃料——你对一个系统了解得越精确，就能从中提取越多的功。然而，这一备受认可的假设如今受到了挑战。在一项新研究中，研究人员证明，即使对量子态完全不确定，也并不会妨碍你提取其全部可用能量——至少在你拥有该量子态的多个副本时是如此。
这挑战了量子热力学中一个非常实际的问题：精确测量一个系统往往需要消耗大量资源，以至于得不偿失。研究作者指出：“评估可从纳米级量子系统中提取的最大功量，是量子热力学的核心问题之一。”该研究揭示了一条令人惊讶的捷径：在适当条件下，你可以跳过了解系统这一昂贵步骤，却仍能获取其全部能量。
从昂贵的测量到巧妙的捷径
一个量子系统中存储的有用功量由亥姆霍兹自由能决定，它表明系统距离热平衡有多远。距离平衡态越远，可提取的功就越多。早期研究已经确定，如果你拥有大量相同的量子系统，这个自由能就设定了你可提取的最大功量。然而，这些结果伴随着一个重大假设：你必须事先知道确切的量子态。
这个假设在实际操作中就成了问题。研究合著者、东京大学研究生渡边凯人表示：“因为在实验环境中，量子态可能受到未知的环境噪声影响，使得我们无法了解量子系统的详细特性。”要了解确切的量子态，需要进行量子层析成像——这一过程仅为了执行测量就会消耗大量副本和可观能量。这就形成了一个令人沮丧的循环：花费太多精力去了解系统，反而失去了你原本追求的利益。
边工作边学习的协议
为了克服这个问题，研究人员设计了一种不依赖事先了解量子态的通用功提取协议。他们的方法并未尝试完全表征系统，而是利用了在处理大量相同副本时出现的一种微妙对称性。即使每个副本的状态未知，整个集合也会遵循可被利用的模式。
该协议通过一系列协调步骤展开，同时有效地整理量子信息并提取功。首先，一种称为“舒尔挤压通道”的数学运算将系统重组为更简单的对角形式——更接近于易于处理的经典数据。然后，协议并不测量所有副本，而是仅对其中一小部分进行采样。这种有限测量足以估算系统的相对熵，而相对熵正是决定可提取功量的关键量。用于此估算的副本比例相对于总副本数量增长非常缓慢，因此大部分副本保持完好。最后，将估算值输入标准的功提取过程，通过能量守恒操作将存储的能量转化为有用的功。
在总结该协议的性能时，研究作者表示：“我们发现，采用舒尔挤压的通用协议所达到的收敛速度，与依赖于状态信息的协议一致。”这种方法的强大之处在于，学习和提取在同一流程中同时进行。随着系统的演化，它只需足够地“了解自身”，就能实现最优的功提取——而无需事先完全掌握系统状态。
重新思考量子能量提取的极限
这一结果暗示着物理学家对量子资源的思考方式正在发生更广泛的转变。像功提取这样的任务属于一个称为“资源提纯”的更大框架，其目标是从不完美的系统中提取出有用的属性。如果在其他领域也能发展出类似的免于先验知识的策略，就可能简化一系列量子技术。
例如，研究人员表明，该研究的结果适用于更复杂、无限维的系统（如量子光学中使用的系统），证实了自由能极限不仅是理论上的，而且是实际可达到的。不过，这项工作也有其局限性。该协议依赖于拥有大量相同副本的系统，这并非总是现实可行的。此外，虽然研究团队已将该方法扩展到某些无限维情况，但对这类系统的完整理解仍有待探索。
接下来，研究人员计划将其方法推广到其他量子过程，并针对更复杂、更真实的条件（其中不确定性是常态，而非例外）进行优化。
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