科研進(jìn)展：囚禁離子量子比特的非厄米量子熱機(jī)研究

近日,中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院馮芒研究團(tuán)隊(duì)與廣州工業(yè)技術(shù)研究院、日本理化學(xué)所和美國賓州州立大學(xué)等單位合作,在國際學(xué)術(shù)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(diǎn)的量子熱機(jī)理論,并利用囚禁鈣離子實(shí)驗(yàn)平臺在單原子層面上成功觀察到新奇的非厄米動力學(xué)熱機(jī)效應(yīng)。據(jù)了解,這是國際上首次實(shí)現(xiàn)非厄米量子熱機(jī)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道,為探索和開發(fā)更多新奇的非厄米熱力學(xué)效應(yīng)、推動非厄米物理學(xué)與新興能源科學(xué)的密切結(jié)合打開了道路。

在熱力學(xué)中,熱機(jī)是能將吸收的熱能轉(zhuǎn)化為有用功輸出的一類熱力學(xué)系統(tǒng)。熱機(jī)理論的提出催生了第一次工業(yè)革命,人類社會從此邁進(jìn)工業(yè)化社會階段。根據(jù)工作物質(zhì)的性質(zhì)劃分,熱機(jī)可分為經(jīng)典熱機(jī)和量子熱機(jī)。當(dāng)工作物質(zhì)具有經(jīng)典性質(zhì)時(shí),此類熱機(jī)稱為經(jīng)典熱機(jī),如蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等。當(dāng)工作物質(zhì)具有量子性質(zhì)時(shí),經(jīng)典熱機(jī)便轉(zhuǎn)化為量子熱機(jī)。

熱機(jī)是一個(gè)開放系統(tǒng),工作物質(zhì)吸收的熱能只有一小部分轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)熱機(jī)有用功最大化輸出,必須得提高熱機(jī)的轉(zhuǎn)化效率。由于經(jīng)典熱機(jī)會受環(huán)境因素的影響較大,如在做功過程中與空氣產(chǎn)生摩擦,會導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率難以提高。而量子熱機(jī)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(jīng)典熱機(jī)的效率。

離子阱由于具有相干時(shí)間長的物理特性,是實(shí)現(xiàn)量子模擬的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)平臺。最近,通過在離子阱中構(gòu)建經(jīng)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(jī)已經(jīng)成為非平衡系統(tǒng)和量子熱力學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。斯圖加特大學(xué)的Eric Lutz、美因茨大學(xué)的Ferdinand Schmidt-Kaler和馬里蘭大學(xué)的Sebastian Deffner等都在囚禁離子量子熱機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)方面做了許多研究。

但是,對于量子熱機(jī)而言,在與環(huán)境耦合的情況下是否仍然能實(shí)現(xiàn)高效的熱轉(zhuǎn)換是一個(gè)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(xué)家們已經(jīng)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(xué)演化,并在奇異點(diǎn)(即系統(tǒng)本征態(tài)和本征能量的簡并點(diǎn))附近發(fā)現(xiàn)了許多超越常規(guī)厄米系統(tǒng)的新奇效應(yīng)。例如中山大學(xué)羅樂團(tuán)隊(duì)、人民大學(xué)的張翔團(tuán)隊(duì)、國防科技大學(xué)的陳平形團(tuán)隊(duì)都利用囚禁離子實(shí)現(xiàn)了宇稱-時(shí)間對稱的哈密頓量。馮芒教授研究團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)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(yīng)用,有助于進(jìn)一步促進(jìn)非厄米量子物理的發(fā)展。

在囚禁離子量子體系中實(shí)現(xiàn)非厄米量子熱機(jī)的模擬,在理論和實(shí)驗(yàn)上表明在開放系統(tǒng)下離子比特的操控可以達(dá)到很高的保真度,而且開放離子量子體系在糾錯(cuò)運(yùn)算上具有獨(dú)特的優(yōu)勢,因此將非厄米物理推廣到量子計(jì)算上,能夠?yàn)檠邪l(fā)高保真度的離子阱量子計(jì)算機(jī)提供了一條新的路徑。據(jù)了解,作為亞洲首家離子阱量子計(jì)算公司的啟科量子已經(jīng)研發(fā)了開放系統(tǒng)下離子比特的高保真度操控技術(shù),有望在與外界環(huán)境耦合的條件中,實(shí)現(xiàn)幾十高保真度量子比特計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。