近日,中國科學院精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院馮芒研究團隊與廣州工業(yè)技術研究院、日本理化學所和美國賓州州立大學等單位合作,在國際學術期刊《Nature Communications》在線發(fā)表題為“Dynamical Control of Quantum Heat Engines Using Exceptional Points”的論文。該論文描述了在非厄米量子系統(tǒng)中建立基于主方程劉維爾奇異點的量子熱機理論,并利用囚禁鈣離子實驗平臺在單原子層面上成功觀察到新奇的非厄米動力學熱機效應。據了解,這是國際上首次實現非厄米量子熱機的實驗報道,為探索和開發(fā)更多新奇的非厄米熱力學效應、推動非厄米物理學與新興能源科學的密切結合打開了道路。

在熱力學中,熱機是能將吸收的熱能轉化為有用功輸出的一類熱力學系統(tǒng)。熱機理論的提出催生了第一次工業(yè)革命,人類社會從此邁進工業(yè)化社會階段。根據工作物質的性質劃分,熱機可分為經典熱機和量子熱機。當工作物質具有經典性質時,此類熱機稱為經典熱機,如蒸汽機、內燃機等。當工作物質具有量子性質時,經典熱機便轉化為量子熱機。

熱機是一個開放系統(tǒng),工作物質吸收的熱能只有一小部分轉化為有用功輸出,而絕大部分的熱能都耗散到外界環(huán)境。因此要實現熱機有用功最大化輸出,必須得提高熱機的轉化效率。由于經典熱機會受環(huán)境因素的影響較大,如在做功過程中與空氣產生摩擦,會導致其轉化效率難以提高。而量子熱機由于其本身的量子相干性,在與環(huán)境高度隔離的條件下可以超越經典熱機的效率。

離子阱由于具有相干時間長的物理特性,是實現量子模擬的優(yōu)秀實驗平臺。最近,通過在離子阱中構建經典的奧托循環(huán)、卡諾循環(huán)來研究基于囚禁離子量子體系的熱機已經成為非平衡系統(tǒng)和量子熱力學的一個研究熱點。斯圖加特大學的Eric Lutz、美因茨大學的Ferdinand Schmidt-Kaler和馬里蘭大學的Sebastian Deffner等都在囚禁離子量子熱機的理論和實驗方面做了許多研究。

但是,對于量子熱機而言,在與環(huán)境耦合的情況下是否仍然能實現高效的熱轉換是一個十分重要又懸而未決的問題。近年來,隨著對非厄米物理系統(tǒng)的建立,科學家們已經可以利用劉維爾主方程和非厄米的哈密頓量來深入研究在與環(huán)境耦合的情況下量子系統(tǒng)的非厄米動力學演化,并在奇異點(即系統(tǒng)本征態(tài)和本征能量的簡并點)附近發(fā)現了許多超越常規(guī)厄米系統(tǒng)的新奇效應。例如中山大學羅樂團隊、人民大學的張翔團隊、國防科技大學的陳平形團隊都利用囚禁離子實現了宇稱-時間對稱的哈密頓量。馮芒教授研究團隊這項研究也是將非厄米物理在囚禁離子量子體系上的另一次應用,有助于進一步促進非厄米量子物理的發(fā)展。

在囚禁離子量子體系中實現非厄米量子熱機的模擬,在理論和實驗上表明在開放系統(tǒng)下離子比特的操控可以達到很高的保真度,而且開放離子量子體系在糾錯運算上具有獨特的優(yōu)勢,因此將非厄米物理推廣到量子計算上,能夠為研發(fā)高保真度的離子阱量子計算機提供了一條新的路徑。據了解,作為亞洲首家離子阱量子計算公司的啟科量子已經研發(fā)了開放系統(tǒng)下離子比特的高保真度操控技術,有望在與外界環(huán)境耦合的條件中,實現幾十高保真度量子比特計算機的運行。