Nat. Commun.|非厄米量子热机：用奇异点调控和增强热机性能

撰稿|由课题组供稿

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院冯芒研究团队与广州工业技术研究院、湖南师范大学、郑州大学、郑州轻工业大学、日本理化学所和美国宾州州立大学等单位合作，在非厄米量子系统中建立了基于主方程刘维尔奇异点的量子热机理论，并利用超冷⁴⁰Ca+离子实验平台，在单原子层面上成功观察到新奇的非厄米动力学热机效应，即等容加热及冷却冲程分别处于宇称-时间对称和对称破缺相的量子奥拓热机具有最高的热机效率。据了解，这是国际上非厄米量子热机的第一个实验报道，为探索和开发更多新奇的非厄米热力学效应、推动非厄米物理学与新兴能源科学的密切结合打开了道路。上述成果以”Dynamical Control of Quantum Heat Engines Using Exceptional Points“为题，于10月20日发表在国际学术期刊《Nature Communications》。论文的共同第一作者为博士生章嘉伟、张建奇副研究员和博士生丁戈弋，通讯作者是冯芒研究员、景辉教授和周飞副研究员。该研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划重大专项、中国博士后基金和王宽诚教育基金等项目的资助。

18世纪中叶，热机的发明和使用导致了第一次工业革命的发生，人类从此迈入现代工业化社会阶段。所谓热机是利用工作物质从热库吸热并对外实现可用功输出的一类机械。当其工作物质具有量子性质的时候，经典热机便转化为量子热机。得益于量子热机本身具有量子相干性等非经典特性，量子热机不仅有望在效率上超越经典热机，而且是探索经典到量子相变过程中能量-信息和热-功转换的理想平台。近年来，得益于宇称-时间对称性的引入，具有实本征值的非厄米物理系统的研究受到了人们的极大关注，在光学、声学、电学等诸多领域涌现出很多超越常规厄米系统功能的新奇效应。这些效应跟系统哈密顿量的奇异点，即本征能量的简并点（在该点，系统的本征态和本征能量塌缩到一点）有着密切的联系。然而，由于忽略了量子跳跃效应，这种哈密顿量奇异点无法完整描述量子系统的动力学行为。为此，人们须利用量子主方程对应的所谓的刘维尔奇异点来准确地刻画量子系统的动力学性质。如何把量子热力学跟非厄米物理学结合起来，用刘维尔奇异点调控和增强量子热机性能，成为物理学前沿的一个重要课题。

对典型的量子奥拓热机而言，当工作物质与热库发生能量交换时，量子热机的吸放热可以用主方程对应的刘维尔算子描述，从而为调控量子系统参数、观察奇异点前后的严格对称相和对称破缺相的动力学行为提供了理论依据和实验可能。

图：（A）超冷钙离子实验平台示意图，单个⁴⁰Ca⁺离子在激光的精准操控下展现奥托热机的量子特性。（B）⁴⁰Ca⁺离子的能级示意图。

在本项工作中，研究人员先从理论上设计了单离子奥拓热机理论方案，然后结合超冷钙离子实验平台的特点，巧妙设计可控的耗散通道，架构出了包含量子跳跃效应的刘维尔奇异点；针对热机包含的绝热压缩、等容加热、绝热膨胀和等容冷却等四个冲程，研究人员安排了三组实验方案，通过激光精准操控钙离子内态耗散，选择等容冲程所处的严格对称相和对称破缺相，组合出三组不同参数的热机循环。

图1：处于严格相的奥拓热机的动力学行为：（A）激发态布居随时间的演化；（B）功和功率随等容加热冲程时间的演化；（C）效率随等容加热冲程时间的演化。处于破缺相的奥拓热机的动力学行为：（D）激发态布居随时间的演化；（E）功和功率随等容加热冲程时间的演化；（F）效率随等容加热冲程时间的演化。

首先，他们将单离子奥拓热机的等容加热和等容冷却冲程均置于严格相下（图1，A-C）。通过理论和实验的数据拟合和对比后，他们发现严格相下作为量子工作物质的囚禁离子内态会逐渐演化到稳态。在演化过程中，由于量子相干性的存在，囚禁离子的激发态布居会展现出上下振荡的动力学行为。该动力学行为会导致量子奥拓热机的等容冲程中存在额外的吸放热过程，这使得热机效率会随着等容加热时间的延长而发生振荡，最后趋于一个远低于理想奥拓热机效率的稳态值。随后，为了抑制上述过程中的额外吸热和放热现象，他们将单离子奥拓热机的等容加热和等容冷却均置于破缺相（图1，D-F）。实验数据表明，强烈的耗散可以完全抑制激发态布居的振荡。随着等容加热时间的增长，系统将逐渐演化进入稳态。这也导致最大热机效率非常接近理想奥拓热机效率。

图2：处于等容加热处于严格相而等容冷却处于破缺相的奥拓热机：（A）激发态布居随时间的演化；（B）功和功率随等容加热冲程的演化；（C）效率随等容加热冲程的演化。

通过对比上述两组实验结果，研究人员猜测：如果想进一步提高热机效率，必须抑制等容冷却中的布居振荡。于是，他们将奥拓热机的等容加热置于严格相，而将等容冷却置于破缺相（图2）。经过精心设计，并通过多次理论数据和实验数据比对，研究人员最终确认“等容加热冲程和等容冷却冲程分别处于严格相和破缺相的量子奥拓热机具有最高的热机效率”。

这项研究完成了国际上第一个基于非厄米体系的量子热机实验。研究人员通过精确操控单个囚禁离子的动力学确认了量子相干性、刘维尔奇异点和量子热机效率三者之间的密切联系。该工作不仅有助于深入理解非厄米动力学及奇异点对量子热力学过程和现象的影响，而且开启了利用奇异点调控量子热机动力学性质的大门。此外，由于上述研究中的工作物质是单个原子，而原子是化学变化中的最小粒子，因此该研究的结论和技术具有一定的普适性，有望应用于能源、生物、医药和工程等广阔领域，开发基于非厄米系统的新型量子电池、分子马达、纳米机器人和微型智能装置等。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33667-1