科學家實現國際上首個非厄米量子熱機實驗

近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員馮芒團隊與廣州工業技術研究院、鄭州大學、湖南師范大學、鄭州輕工業大學、日本理化學研究所、美國賓夕法尼亞州立大學等國內外研究機構合作，利用超冷離子實驗平臺，設計并實現了國際上首個非厄米量子熱機實驗。該熱機的工作物質是一個開放的（即非厄米的）量子體系，四個熱力學沖程基于劉維爾奇異點（即體系的本征能量簡并點，使本征態和本征能量塌縮到一點）的不同拓撲相，實驗顯示，“等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴格相和破缺相的量子奧拓熱機具有最高的熱機效率”的新結論，對量子熱機的研究具有重要意義。10月20日，相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

熱機是利用工作物質從熱庫吸熱并對外輸出可用功的一類機械，對人類文明進程起過巨大的推動作用。18世紀中葉，熱機的發明促成機車引擎的出現，使人類進入第一次工業革命（即蒸汽機工業）時代。近年來，隨著人類對微觀世界認識的逐步深入及量子信息科學的發展，科學界開始探索基于量子工作物質的熱機。這種量子熱機雖然只有微納尺度，但得益于量子相干性等非經典物理性質，有望在效率上超越傳統的熱機，并可望探索量子體系演化過程中能量-信息轉換和功-熱轉換的理想實驗平臺。然而，量子熱機作為一個開放體系，熱機的吸熱和做功都在工作物質與外部環境的相互作用過程中完成，因此需要考慮針對非厄米量子系統的調控。

科研人員運用離子阱量子操控技術實驗實現基于劉維爾奇異點的不同拓撲相的量子奧托熱機。離子阱系統以孤立干凈、精準可控而著稱，是目前最有望展現量子技術優越性的物理系統之一?？蒲袌F隊致力于發展基于40Ca+離子的精密操控關鍵技術，旨在利用量子精密測量技術來探索量子世界的未知領域。該研究在單個超冷40Ca+離子中設計可控的耗散通道，實現了包含量子跳躍效應的劉維爾奇異點，為觀測基于劉維爾奇異點的不同拓撲相（即嚴格相和破缺相）的動力學行為奠定實驗基礎。研究演示的奧托熱機包含絕熱壓縮、等容加熱、絕熱膨脹和等容冷卻等四個沖程。研究通過激光精準操控離子使這四個沖程分別處于不同的拓撲相，并組成不同的熱機循環。研究顯示，由于量子相干性的存在，熱機處于嚴格相時激發態布居的上下振蕩會導致吸熱和放熱過程中存在額外的吸放熱；而耗散會抑制激發態布居的振蕩。科研人員由此推測，如果提高量子熱機效率，應保持等容加熱沖程中的布居振蕩，抑制等容冷卻沖程中的布居振蕩，即前者處于嚴格相，后者處于破缺相。進一步研究表明，等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴格相和破缺相的量子奧拓熱機具有最高的熱機效率。

該研究實現了國際上首個基于非厄米體系的量子熱機實驗工作，通過精確操控單個囚禁離子的動力學確立了量子相干性、劉維爾奇異點和量子熱機效率三者之間的聯系。該成果顛覆“增加量子相干性便可提升量子熱機效率”的主流觀念，將有助于探索非厄米動力學及劉維爾奇異點對量子體系的熱力學過程和現象的影響。此外，該研究中的工作物質是單個原子，而原子是化學變化中的最小粒子，因此該研究的結論和所展現的技術具一定的普適性，有望應用于能源、生物、醫藥和工程等領域，并用于開發分子馬達、納米機器人和微型智能裝置等。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃重大專項、中國博士后科學基金和王寬誠教育基金等的支持。