研究展現全球首個基于劉維爾奇異點拓撲量子熱機

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《中國科學報》記者從中科院精密測量院獲悉，該院馮芒研究團隊與廣州工業技術研究院、湖南師范大學、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40Ca+離子實驗平臺，實現了國際上首個基于劉維爾奇異點（LEP）的拓撲量子熱機，并展現了其動力學行為。實驗見證了“劉維爾奇異點所引起的拓撲性質可以增強量子熱機的輸出功和效率”，為深入探討量子熱機的新奇特性和應用潛力提供了重要的實驗證據。該研究成果3月17日在線發表在國際期刊《物理評論快報》上。

 超冷40Ca+離子實驗平臺。受訪者供圖

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。最早的熱機出現在18世紀中葉。二十一世紀后，得益于微納加工技術和實驗技術的迅猛發展，熱機的尺寸也從厘米量級縮小到微納量級，尤其是量子性質的引入有可能使熱機的效率超越傳統熱機的最高效率。因此，探尋具有更高熱機效率的微納型量子體系不僅是一個科學前沿問題，更是一項技術挑戰。由于量子熱機循環過程中吸熱、放熱沖程都是通過工作物質與外部環境發生相互作用來完成，如何精準巧妙地操控工作物質的非厄米量子性質顯得尤為重要。

在該實驗中，研究人員運用離子阱量子操控技術實現了環繞與不環繞LEP的兩類量子熱機循環。離子阱系統是世界上公認的在相干時間，量子態制備、量子態操作、量子態測量等關鍵參數全面超過量子容錯計算閾值的系統，是目前最有希望展現量子技術應用優越性的物理系統之一。馮芒研究團隊長期致力于開發基于40Ca+離子的精密操控關鍵技術，不僅實現了對自旋量子態的精準操控，而且可以精確開合量子體系的耗散通道并調節耗散的大小，由此能夠可控地展現非厄米量子系統的所有新奇特征。LEP的存在導致由破缺相到精確相的拓撲相變，但拓撲相變本身是否具有熱力學效應卻一直是懸而未決的問題。

為解決這一難題，研究人員首先借助單個超冷40Ca+離子的三能級結構，精準確定了LEP及其精確相和破缺相的實驗參數；隨后，通過調控外加光場的頻率失諧量，實現了環繞與不環繞LEP的兩類量子熱機循環。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。多次實驗結果顯示，不環繞LEP的量子熱機循環有可能做負功；但環繞LEP的量子熱機循環則始終做正功。基于嚴格的數據分析并與數值模擬比對，研究人員最終確認，LEP相關的拓撲性質具有熱力學特性，可以應用于有效增強量子熱機的輸出功和效率。

該項研究在原子層次的非厄米量子體系中精確展現了國際上第一個基于劉維爾奇異點的拓撲性質的量子熱機，見證了拓撲性質所帶來的熱力學效應。該研究的結論和所展現的技術有望應用于開發分子馬達、納米機器人等微型智能裝置。