近日，精密測量院馮芒研究團(tuán)隊與廣州工業(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)研究所和美國賓州州立大學(xué)等國內(nèi)外研究機構(gòu)合作，利用超冷離子實驗平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了國際上第一個非厄米量子熱機實驗。該熱機的工作物質(zhì)是一個開放的（即非厄米的）量子體系，四個熱力學(xué)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(tài)和本征能量塌縮到一點）的不同拓?fù)湎?，實驗觀察顯示出“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具有最高的熱機效率”的新結(jié)論，對量子熱機的研究具有重要意義。該研究成果2022年10月20日在線發(fā)表在國際著名自然科學(xué)期刊《自然﹒通訊》上。

　　熱機是利用工作物質(zhì)從熱庫吸熱并對外輸出可用功的一類機械，對人類文明的進(jìn)程曾起到過巨大的推動作用。18世紀(jì)中葉，熱機的發(fā)明導(dǎo)致機車引擎的出現(xiàn)，使人類進(jìn)入第一次工業(yè)革命（即蒸汽機工業(yè)）時代。近年來，隨著人類對微觀世界認(rèn)識的逐步深入以及量子信息科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)界開始探索基于量子工作物質(zhì)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(jīng)典物理性質(zhì)，不僅有望在效率上超越傳統(tǒng)的熱機，而且是探索量子體系演化過程中能量-信息轉(zhuǎn)換和功-熱轉(zhuǎn)換的理想實驗平臺。不過，量子熱機作為一個開放體系，熱機的吸熱和做功都是在工作物質(zhì)與外部環(huán)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(tǒng)的調(diào)控。

　　該項研究的實驗全部在精密測量院完成，研究人員運用離子阱量子操控技術(shù)實驗實現(xiàn)了基于劉維爾奇異點的不同拓?fù)湎嗟牧孔訆W托熱機。離子阱系統(tǒng)以孤立干凈、精準(zhǔn)可控而著稱，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術(shù)優(yōu)越性的物理系統(tǒng)之一。馮芒研究團(tuán)隊長期致力于發(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量技術(shù)來探索量子世界的未知領(lǐng)域。本項工作中，研究人員首先在單個超冷⁴⁰Ca⁺離子中精巧地設(shè)計了可控的耗散通道，實現(xiàn)了包含量子跳躍效應(yīng)的劉維爾奇異點，為觀測基于該奇異點的不同拓?fù)湎啵磭?yán)格相和破缺相）的動力學(xué)行為奠定了實驗基礎(chǔ)。實驗所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。通過激光精準(zhǔn)操控離子可以使這四個沖程分別處于不同的拓?fù)湎啵⒔M合成不同的熱機循環(huán)。實驗結(jié)果顯示，由于量子相干性的存在，熱機處于嚴(yán)格相時激發(fā)態(tài)布居的上下振蕩會導(dǎo)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(fā)態(tài)布居的振蕩。合作團(tuán)隊的研究人員由此推測：如果想提高量子熱機效率，應(yīng)該保持等容加熱沖程中的布居振蕩，但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。經(jīng)過精心設(shè)計方案，多次實驗和比對數(shù)據(jù)，研究人員最終確認(rèn)“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具有最高的熱機效率”。

　　該項研究展現(xiàn)的是國際上第一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(xué)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(lián)系。實驗結(jié)果顛覆了 “增加量子相干性便可提升量子熱機效率” 的主流觀念，因此將有助于深入理解非厄米動力學(xué)及劉維爾奇異點對量子體系的熱力學(xué)過程和現(xiàn)象的影響。此外，由于上述研究中的工作物質(zhì)是單個原子，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)具有一定的普適性，有望應(yīng)用于能源、生物、醫(yī)藥和工程等領(lǐng)域，用于開發(fā)分子馬達(dá)、納米機器人和微型智能裝置等。

　　論文的共同第一作者為博士生章嘉偉、張建奇副研究員和博士生丁戈弋，通訊作者是周飛副研究員、景輝教授和馮芒研究員。該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項、中國博士后基金和王寬誠教育基金等項目的資助。

（A）實驗平臺示意圖，單個⁴⁰Ca⁺離子在激光的精準(zhǔn)操控下展現(xiàn)奧托熱機的量子特性。（B）⁴⁰Ca⁺離子的能級示意圖