【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院馮芒研究團(tuán)隊與廣州工業(yè)技術(shù)研究院、湖南師范大學(xué)、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)等合作，利用超冷⁴⁰Ca⁺離子實驗平臺(圖1)，實驗實現(xiàn)了國際上首個基于劉維爾奇異點的拓?fù)淞孔訜釞C并展現(xiàn)了其動力學(xué)行為。該熱機的工作物質(zhì)是一個開放的(非厄米)單比特量子體系.這樣的體系中存在本征能量的簡并點(即本征態(tài)和本征能量塌縮到一點)，稱“劉維爾奇異點”(LEP)。
 

　　研究通過改變量子熱機做功沖程的變頻范圍，對比環(huán)繞與不環(huán)繞LEP的兩類熱機循環(huán)，實驗見證了“劉維爾奇異點所引起的拓?fù)湫再|(zhì)可以增強量子熱機的輸出功和效率”，為探索量子熱機的新奇特性和應(yīng)用潛力提供了重要的實驗證據(jù)。3月17日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《物理評論快報》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。最早的熱機出現(xiàn)在18世紀(jì)中葉。隨后，英國工程師瓦特對蒸汽型熱機的改良促成了第一次工業(yè)革命的出現(xiàn)，人類從此邁入工業(yè)化時代。進(jìn)入21世紀(jì)，得益于微納加工技術(shù)和實驗技術(shù)的迅猛發(fā)展，熱機的尺寸也從厘米量級縮小到微納量級，尤其是量子性質(zhì)的引入有可能使熱機的效率超越傳統(tǒng)熱機的最高效率。因此，探尋具有更高熱機效率的微納型量子體系是科學(xué)前沿問題，更是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。由于量子熱機循環(huán)過程中吸熱、放熱沖程都是通過工作物質(zhì)與外部環(huán)境發(fā)生相互作用來完成，如何精準(zhǔn)巧妙地操控工作物質(zhì)的非厄米量子性質(zhì)顯得尤為重要。
 

　　在該實驗中，研究人員運用離子阱量子操控技術(shù)實現(xiàn)了環(huán)繞與不環(huán)繞LEP的兩類量子熱機循環(huán)。離子阱系統(tǒng)是世界上公認(rèn)的在相干時間、量子態(tài)制備、(單比特和兩比特)量子態(tài)操作、量子態(tài)測量等關(guān)鍵參數(shù)全面超過量子容錯計算閾值的系統(tǒng)，是目前最有希望展現(xiàn)量子技術(shù)應(yīng)用優(yōu)越性的物理系統(tǒng)之一。
 

　　馮芒團(tuán)隊長期致力于開發(fā)基于⁴⁰Ca⁺離子的精密操控關(guān)鍵技術(shù)，不僅實現(xiàn)了對自旋量子態(tài)的精準(zhǔn)操控，而且可以精確開合量子體系的耗散通道并調(diào)節(jié)耗散的大小，由此能夠可控地展現(xiàn)非厄米量子系統(tǒng)的所有新奇特征。該團(tuán)隊曾報道利用LEP來調(diào)控量子熱機的可能性，展現(xiàn)了不同沖程中的量子相干性對熱機的功輸出和效率有重要影響【Nature Communications 13，6625 (2022)】。LEP的存在導(dǎo)致由破缺相到精確相的拓?fù)湎嘧儯負(fù)湎嘧儽旧硎欠窬哂袩崃W(xué)效應(yīng)卻是懸而未決的問題。
 

　　本工作借助單個超冷⁴⁰Ca⁺離子的三能級結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)地確定了LEP及其精確相和破缺相的實驗參數(shù)；通過調(diào)控外加光場的頻率失諧量，實現(xiàn)了環(huán)繞與不環(huán)繞LEP的兩類量子熱機循環(huán)。實驗所演示的量子熱機包含等耗散壓縮、等失諧加熱、等耗散膨脹和等失諧冷卻等四個沖程，其中，等耗散壓縮處于破缺相，等耗散膨脹處于精確相(圖2)。
 

　　多次實驗的結(jié)果顯示，不環(huán)繞LEP的量子熱機循環(huán)有可能做負(fù)功；而環(huán)繞LEP的量子熱機循環(huán)則始終做正功(圖3)。基于嚴(yán)格的數(shù)據(jù)分析并與數(shù)值模擬比對，研究最終確認(rèn)LEP相關(guān)的拓?fù)湫再|(zhì)具有熱力學(xué)特性，可以應(yīng)用于有效增強量子熱機的輸出功和效率。
 

　　該研究在原子層次的非厄米量子體系中精確展現(xiàn)了國際上第一個基于劉維爾奇異點的拓?fù)湫再|(zhì)的量子熱機，見證了拓?fù)湫再|(zhì)所帶來的熱力學(xué)效應(yīng)。該研究的結(jié)論和所展現(xiàn)的技術(shù)有望應(yīng)用于開發(fā)分子馬達(dá)、納米機器人等微型智能裝置。該研究首次揭示了Landau -Zener-Stückelberg過程、拓?fù)湎嘧兒土孔訜釞C效率三者之間的特殊關(guān)系，但其更深刻的物理意義有待進(jìn)一步探討。
 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點項目、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項和廣州市重點實驗室項目等的支持。
 

　　超冷⁴⁰Ca⁺離子實驗平臺，囚禁離子的離子阱處于磁屏蔽裝置(即照片后方銀白色的金屬箱子)保護(hù)中。其余的光學(xué)設(shè)備用以輔助激光系統(tǒng)操作離子，完成量子熱機所需的各個沖程。
 

　　實驗數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的輸出凈功變化。(a、b)環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的激發(fā)態(tài)布居數(shù)隨時間的變化。(c、d)不環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的激發(fā)態(tài)布居數(shù)隨時間的變化。(e、f)環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的凈功變化。(g、h)不環(huán)繞奇異點的等耗散沖程所對應(yīng)的凈功變化。圖中，綠色線條和陰影區(qū)域代表處于破缺相的等耗散壓縮，紅色線條和陰影區(qū)域則代表處于嚴(yán)格相的等耗散膨脹
 

　　環(huán)繞和不環(huán)繞LEP的凈功輸出。(a)環(huán)繞LEP的熱機循環(huán)不僅確保熱機循環(huán)始終輸出正功，且可以增強凈功輸出。(b)不環(huán)繞LEP的熱機循環(huán)的輸出功有正有負(fù)。