科學(xué)家實現(xiàn)迄今國際上首個非厄米量子熱機實驗
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隊與廣州工業(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)外研究機構(gòu)合作，利用超冷離子實驗平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了迄今國際上首個非厄米量子熱機實驗。該熱機的工作物質(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（即體系的本征能量簡并點，使本征態(tài)和本征能量塌縮到一點）的不同拓?fù)湎�，實驗顯示，“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具有最高的熱機效率”的新結(jié)論，對量子熱機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。 P5 S ]h
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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，對人類文明進程起過巨大的推動作用。18世紀(jì)中葉，熱機的發(fā)明促成機車引擎的出現(xiàn)，使人類進入第一次工業(yè)革命（即蒸汽機工業(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。這種量子熱機雖然只有微納尺度，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，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)換的理想實驗平臺。然而，量子熱機作為一個開放體系，熱機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。 Daf|.5>(@
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科研人員運用離子阱量子操控技術(shù)實驗實現(xiàn)基于劉維爾奇異點的不同拓?fù)湎嗟牧孔訆W托熱機。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。科研團隊致力于發(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)計可控的耗散通道，實現(xiàn)了包含量子跳躍效應(yīng)的劉維爾奇異點，為觀測基于劉維爾奇異點的不同拓?fù)湎啵磭?yán)格相和破缺相）的動力學(xué)行為奠定實驗基礎(chǔ)。研究演示的奧托熱機包含絕熱壓縮、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)湎啵⒔M成不同的熱機循環(huán)。研究顯示，由于量子相干性的存在，熱機處于嚴(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�？蒲腥藛T由此推測，如果提高量子熱機效率，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具有最高的熱機效率。 _k84 #E0
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該研究實現(xiàn)了迄今國際上首個基于非厄米體系的量子熱機實驗工作，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、劉維爾奇異點和量子熱機效率三者之間的聯(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、納米機器人和微型智能裝置等。 Mk! Fy]3
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（A）實驗平臺示意圖，單個40Ca+離子在激光的精準(zhǔn)操控下展現(xiàn)奧托熱機的量子特性。（B）40Ca+離子的能級示意圖。 F!z0N&#
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單離子量子奧托熱機實驗數(shù)據(jù)：其等容加熱沖程處于嚴(yán)格相，等容冷卻沖程處于破缺相。（A）測量得到的激發(fā)態(tài)布居數(shù)隨時間的變化，橘色、粉紅色、綠色、藍色區(qū)域分別代表絕熱壓縮、等容加熱、絕熱膨脹和等容冷卻等四個沖程。處于嚴(yán)格相的等容加熱沖程呈現(xiàn)出明顯的布居數(shù)振蕩。（B）量子奧托熱機的功和功率隨時間的變化。（C）量子奧托熱機的效率隨時間的變化，其中紅線和綠線分別對應(yīng)量子熱機和傳統(tǒng)熱機。 mvn- QP~"
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃重大專項、中國博士后科學(xué)基金和王寬誠教育基金等的支持。
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