科學(xué)家實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)非厄米量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)

近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員馮芒團(tuán)隊(duì)與廣州工業(yè)技術(shù)研究院、鄭州大學(xué)、湖南師范大學(xué)、鄭州輕工業(yè)大學(xué)、日本理化學(xué)研究所、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)等國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)合作，利用超冷離子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)非厄米量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)。該熱機(jī)的工作物質(zhì)是一個(gè)開(kāi)放的（即非厄米的）量子體系，四個(gè)熱力學(xué)沖程基于劉維爾奇異點(diǎn)（即體系的本征能量簡(jiǎn)并點(diǎn)，使本征態(tài)和本征能量塌縮到一點(diǎn)）的不同拓?fù)湎?，?shí)驗(yàn)顯示，“等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴(yán)格相和破缺相的量子奧拓?zé)釞C(jī)具有最高的熱機(jī)效率”的新結(jié)論，對(duì)量子熱機(jī)的研究具有重要意義。10月20日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

熱機(jī)是利用工作物質(zhì)從熱庫(kù)吸熱并對(duì)外輸出可用功的一類(lèi)機(jī)械，對(duì)人類(lèi)文明進(jìn)程起過(guò)巨大的推動(dòng)作用。18世紀(jì)中葉，熱機(jī)的發(fā)明促成機(jī)車(chē)引擎的出現(xiàn)，使人類(lèi)進(jìn)入第一次工業(yè)革命（即蒸汽機(jī)工業(yè)）時(shí)代。近年來(lái)，隨著人類(lèi)對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的逐步深入及量子信息科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)界開(kāi)始探索基于量子工作物質(zhì)的熱機(jī)。這種量子熱機(jī)雖然只有微納尺度，但得益于量子相干性等非經(jīng)典物理性質(zhì)，有望在效率上超越傳統(tǒng)的熱機(jī)，并可望探索量子體系演化過(guò)程中能量-信息轉(zhuǎn)換和功-熱轉(zhuǎn)換的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。然而，量子熱機(jī)作為一個(gè)開(kāi)放體系，熱機(jī)的吸熱和做功都在工作物質(zhì)與外部環(huán)境的相互作用過(guò)程中完成，因此需要考慮針對(duì)非厄米量子系統(tǒng)的調(diào)控。

科研人員運(yùn)用離子阱量子操控技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)基于劉維爾奇異點(diǎn)的不同拓?fù)湎嗟牧孔訆W托熱機(jī)。離子阱系統(tǒng)以孤立干凈、精準(zhǔn)可控而著稱(chēng)，是目前最有望展現(xiàn)量子技術(shù)優(yōu)越性的物理系統(tǒng)之一?？蒲袌F(tuán)隊(duì)致力于發(fā)展基于40Ca+離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，旨在利用量子精密測(cè)量技術(shù)來(lái)探索量子世界的未知領(lǐng)域。該研究在單個(gè)超冷40Ca+離子中設(shè)計(jì)可控的耗散通道，實(shí)現(xiàn)了包含量子跳躍效應(yīng)的劉維爾奇異點(diǎn)，為觀測(cè)基于劉維爾奇異點(diǎn)的不同拓?fù)湎啵磭?yán)格相和破缺相）的動(dòng)力學(xué)行為奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。研究演示的奧托熱機(jī)包含絕熱壓縮、等容加熱、絕熱膨脹和等容冷卻等四個(gè)沖程。研究通過(guò)激光精準(zhǔn)操控離子使這四個(gè)沖程分別處于不同的拓?fù)湎?，并組成不同的熱機(jī)循環(huán)。研究顯示，由于量子相干性的存在，熱機(jī)處于嚴(yán)格相時(shí)激發(fā)態(tài)布居的上下振蕩會(huì)導(dǎo)致吸熱和放熱過(guò)程中存在額外的吸放熱；而耗散會(huì)抑制激發(fā)態(tài)布居的振蕩?？蒲腥藛T由此推測(cè)，如果提高量子熱機(jī)效率，應(yīng)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(yán)格相，后者處于破缺相。進(jìn)一步研究表明，等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴(yán)格相和破缺相的量子奧拓?zé)釞C(jī)具有最高的熱機(jī)效率。

該研究實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)基于非厄米體系的量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)工作，通過(guò)精確操控單個(gè)囚禁離子的動(dòng)力學(xué)確立了量子相干性、劉維爾奇異點(diǎn)和量子熱機(jī)效率三者之間的聯(lián)系。該成果顛覆“增加量子相干性便可提升量子熱機(jī)效率”的主流觀念，將有助于探索非厄米動(dòng)力學(xué)及劉維爾奇異點(diǎn)對(duì)量子體系的熱力學(xué)過(guò)程和現(xiàn)象的影響。此外，該研究中的工作物質(zhì)是單個(gè)原子，而原子是化學(xué)變化中的最小粒子，因此該研究的結(jié)論和所展現(xiàn)的技術(shù)具一定的普適性，有望應(yīng)用于能源、生物、醫(yī)藥和工程等領(lǐng)域，并用于開(kāi)發(fā)分子馬達(dá)、納米機(jī)器人和微型智能裝置等。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)博士后科學(xué)基金和王寬誠(chéng)教育基金等的支持。