近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院馮芒研究團隊與廣州工業技術研究院、湖南師範大學、美國賓夕法尼亞州立大學等合作，利用超冷40Ca+離子實驗平台（圖1），實驗實作了國際上首個基于劉維爾奇異點的拓撲量子熱機并展現了其動力學行為。該熱機的工作物質是一個開放的（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（即本征态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範圍，對比環繞與不環繞LEP的兩類熱機循環，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”，為探索量子熱機的新奇特性和應用潛力提供了重要的實驗證據。3月17日，相關研究成果線上發表在《實體評論快報》上。
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。随後，英國工程師瓦特對蒸汽型熱機的改良促成了第一次工業革命的出現，人類從此邁入工業化時代。進入21世紀，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。是以，探尋具有更高熱機效率的微納型量子體系是科學前沿問題，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互相作用來完成，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作了環繞與不環繞LEP的兩類量子熱機循環。離子阱系統是世界上公認的在相幹時間、量子态制備、（單比特和兩比特）量子态操作、量子态測量等關鍵參數全面超過量子容錯計算門檻值的系統，是目前最有希望展現量子技術應用優越性的實體系統之一。馮芒團隊長期緻力于開發基于40Ca+離子的精密操控關鍵技術，不僅實作了對自旋量子态的精準操控，而且可以精确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。該團隊曾報道利用LEP來調控量子熱機的可能性，展現了不同沖程中的量子相幹性對熱機的功輸出和效率有重要影響【Nature Communications 13，6625 (2022)】。LEP的存在導緻由破缺相到精确相的拓撲相變，但拓撲相變本身是否具有熱力學效應卻是懸而未決的問題。
本工作借助單個超冷40Ca+離子的三能級結構，精準地确定了LEP及其精确相和破缺相的實驗參數；通過調控外加光場的頻率失諧量，實作了環繞與不環繞LEP的兩類量子熱機循環。實驗所示範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，等耗散膨脹處于精确相（圖2）。多次實驗的結果顯示，不環繞LEP的量子熱機循環有可能做負功；而環繞LEP的量子熱機循環則始終做正功（圖3）。基于嚴格的資料分析并與數值模拟比對，研究最終确認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。
該研究在原子層次的非厄米量子體系中精确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。該研究首次揭示了Landau -Zener-Stückelberg過程、拓撲相變和量子熱機效率三者之間的特殊關系，但其更深刻的實體意義有待進一步探讨。
研究工作得到國家自然科學基金重點項目、廣東省重點領域研發計劃重大專項和廣州市重點實驗室項目等的支援。
超冷40Ca+離子實驗平台，囚禁離子的離子阱處于磁屏蔽裝置（即照片後方銀白色的金屬箱子）保護中。其餘的光學裝置用以輔助雷射系統操作離子，完成量子熱機所需的各個沖程。
實驗資料及其對應的輸出淨功變化。（a、b）環繞奇異點的等耗散沖程所對應的激發态布居數随時間的變化。（c、d）不環繞奇異點的等耗散沖程所對應的激發态布居數随時間的變化。（e、f）環繞奇異點的等耗散沖程所對應的淨功變化。（g、h）不環繞奇異點的等耗散沖程所對應的淨功變化。圖中，綠色線條和陰影區域代表處于破缺相的等耗散壓縮，紅色線條和陰影區域則代表處于嚴格相的等耗散膨脹
環繞和不環繞LEP的淨功輸出。（a）環繞LEP的熱機循環不僅確定熱機循環始終輸出正功，且可以增強淨功輸出。（b）不環繞LEP的熱機循環的輸出功有正有負。
來源：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
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