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近日，精密測量院馮芒研究團隊與廣州工業技術研究院、湖南師范大學、美國賓夕法尼亞州立大學等國內外研究機構合作，利用超冷40Ca+離子實驗平臺（見圖一），實驗實現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（即本征態和本征能量塌縮到一點），稱為“劉維爾奇異點”（LEP）。研究團隊通過改變量子熱機做功沖程的變頻范圍，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”，為深入探討量子熱機的新奇特性和應用潛力提供了重要的實驗證據。該研究成果2023年3月17日在線發表在國際著名期刊《物理評論快報》上。
超冷40Ca+離子實驗平臺，囚禁離子的離子阱處于磁屏蔽裝置（即照片后方銀白色的金屬箱子）保護中。
其余的光學設備用以輔助激光系統操作離子，完成量子熱機所需的各個沖程
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。隨后，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實現，人類從此邁入工業化時代。進入二十一世紀，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。因此，探尋具有更高熱機效率的微納型量子體系不僅是一個科學前沿問題，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相互作用來完成，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現了環繞與不環繞LEP的兩類量子熱機循環。離子阱系統是世界上公認的在相干時間，量子態制備、（單比特和兩比特）量子態操作、量子態測量等關鍵參數全面超過量子容錯計算閾值的系統，是目前最有希望展現量子技術應用優越性的物理系統之一。馮芒研究團隊長期致力于開發基于40Ca+離子的精密操控關鍵技術，不僅實現了對自旋量子態的精準操控，而且可以精確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。該團隊去年曾報道了利用LEP來調控量子熱機的可能性，展現了不同沖程中的量子相干性對熱機的功輸出和效率有重要影響 [見 Nature Communications 13，6625 (2022)]。LEP的存在導致由破缺相到精確相的拓撲相變，但拓撲相變本身是否具有熱力學效應卻一直是懸而未決的問題。
實驗數據及其對應的輸出凈功變化
（a,b）環繞奇異點的等耗散沖程所對應的激發態布居數隨時間的變化。（c,d）不環繞奇異點的等耗散沖程所對應的激發態布居數隨時間的變化。（e,f）環繞奇異點的等耗散沖程所對應的凈功變化。（e,f）不環繞奇異點的等耗散沖程所對應的凈功變化。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
本項工作中，研究人員首先借助單個超冷40Ca+離子的三能級結構，精準地確定了LEP及其精確相和破缺相的實驗參數；隨后，通過調控外加光場的頻率失諧量，實現了環繞與不環繞LEP的兩類量子熱機循環。實驗所演示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，等耗散膨脹處于精確相（見圖二）。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；但環繞LEP的量子熱機循環則始終做正功（見圖三）。基于嚴格的數據分析并與數值模擬比對，研究人員最終確認，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。
環繞和不環繞LEP的凈功輸出。
(a) 環繞LEP的熱機循環不僅確保熱機循環始終輸出正功，而且可以增強凈功輸出。(b) 不環繞LEP的熱機循環的輸出功有正有負
該項研究在原子層次的非厄米量子體系中精確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。該研究也第一次揭示了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，其更深刻的物理意義有待進一步探討。
論文的共同第一作者為精密測量院博士卜錦濤、副研究員張建奇和博士丁戈弋，通訊作者是精密測量院副研究員周飛、湖南師范大學教授景輝、美國賓夕法尼亞州立大學教授Ozdemir 和精密測量院研究員馮芒。
該研究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等項目的資助。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.110402