近日，中國科學(xué)院精密測量科學(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、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)等國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)合作，利用超冷離子實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國際上首個非厄米量子熱機(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(diǎn)（即體系的本征能量簡并點(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)從熱庫吸熱并對外輸出可用功的一類機(jī)械，對人類文明進(jìn)程起過巨大的推動作用。18世紀(jì)中葉，熱機(jī)的發(fā)明促成機(jī)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(jī)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(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程中能量-信息轉(zhuǎn)換和功-熱轉(zhuǎn)換的理想實(shí)驗(yàn)平臺。然而，量子熱機(jī)作為一個開放體系，熱機(jī)的吸熱和做功都在工作物質(zhì)與外部環(huán)境的相互作用過程中完成，因此需要考慮針對非厄米量子系統(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，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。科研團(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量技術(shù)來探索量子世界的未知領(lǐng)域。該研究在單個超冷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沖程。研究通過激光精準(zhǔn)操控離子使這四個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。科研人員由此推測，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)了國際上首個基于非厄米體系的量子熱機(jī)實(shí)驗(yàn)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(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力學(xué)及劉維爾奇異點(diǎn)對量子體系的熱力學(xué)過程和現(xiàn)象的影響。此外，該研究中的工作物質(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。

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