[发明专利]以耦合谐振子作为工质的量子绝热捷径热机及其绝热捷径过程的设计方法

说明书

本发明公开了一种以耦合谐振子作为工质的量子绝热捷径热机及其绝热捷径过程的设计方法。本热机以耦合谐振子作为工质，通过等容吸热、绝热捷径膨胀、等容放热、绝热捷径压缩四个过程实现热机的热力学循环。其中的绝热捷径膨胀过程和绝热捷径压缩过程是绝热捷径过程，用以取代传统热机中的绝热过程。借助基于Lewis‑Riesenfeld量子不变量的反控制方法，为耦合谐振子的本征频率设计绝热捷径，再利用本征频率与裸频率的变换关系，得到耦合谐振子频率变化的绝热捷径过程。以本发明驱动热机完成热力学循环的绝热冲程，将功率提高了5倍以上。与传统热机相比，本热机在提高功率的同时，并不降低效率，从而克服了功率‑效率拮抗问题。

技术领域

本发明属于量子调控领域，具体涉及以耦合谐振子作为工质的量子绝热捷径热机及其绝热捷径过程的设计方法。

背景技术

随着量子信息、量子测量、量子计算、量子通信等量子技术的发展，如何分析量子器件的热力学性能成为一个迫切而棘手的问题。量子热机作为分析量子器件热力学性能的平台，吸引了诸多科研工作者研究兴趣，改善量子热机的热力学性能，提高热机的功率和效率，不仅具有重要的理论意义，而且蕴藏着巨大的应用价值。

在传统的热力学中，如果一个热力学循环准静态地进行，相应的效率可以达到最大值。这样做的代价是，理论上完成这样一个循环的时间是无限长的，也就是说，相应的功率为零。反过来，缩短循环时间可以提高功率，但是效率会相应地下降。这种功率和效率的拮抗作用使任何现实中可以做功的经典热机都不可能达到理论上的最大效率。

然而，量子绝热捷径技术的提出为克服这种功率-效率拮抗作用提供了可能。量子绝热捷径是指在有限时间内完成一个过程，这个过程可以与理论上无限缓慢的量子绝热过程得到相同的结果。这意味着，如果把量子绝热捷径技术应用在量子热力学循环过程中，可以在不牺牲效率的情况下提高功率，从而克服经典热机中普遍存在的功率-效率拮抗问题。

发明内容

本发明的目的在于解决热机中普遍存在的功率-效率拮抗问题，提供一种以耦合谐振子作为工质的量子绝热捷径热机及其绝热捷径过程的设计方法。为达到上述目的，本发明的构思是：以耦合谐振子作为热机的工质，完成一个热力学循环，并将其中的绝热过程(包括绝热压缩过程和绝热膨胀过程)替代为基于标度不变量的反控制法设计的量子绝热捷径过程。本热机与传统的热机相比，在不牺牲效率的情况下，使热机的功率得到了提高，具体表现为：

(1)极短时间内完成一个循环，单位循环时间不超过2.5ms，功率提高5倍以上；

(2)效率不会明显下降，至少保持为原效率的99.95％；

(3)经过一个热力学循环后，系统回到与相应的传统热机相同的初态，完成度97％以上；

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

1、一种以耦合谐振子作为工质的量子绝热捷径热机，操作步骤如下：

等容吸热过程：保持耦合谐振子的频率不变，使其与高温热源接触，改变其能级布局数，将耦合谐振子由基态调节为激发态，吸收热量；

绝热捷径膨胀过程：将耦合谐振子与热源隔离，保持其能级布局数不变，维持在激发态上，同时以量子绝热捷径技术设计的绝热捷径调节耦合谐振子的频率，短时间内迅速完成一个等效的绝热膨胀过程，使其由高温频率改变为低温频率，对外做正功；

等容放热过程：保持耦合谐振子的频率不变，使其与低温冷源接触，改变其能级布局数，将耦合谐振子由激发态调节为基态，放出热量；

绝热捷径压缩过程：将耦合谐振子与冷源隔离，保持其能级布局数不变，维持在基态上，同时以量子绝热捷径技术设计的绝热捷径调节耦合谐振子的频率，短时间内迅速完成一个等效的绝热压缩过程，使其由低温频率改变为高温频率，对外做负功；