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近日，精密測量院束縛體系量子信息處理研究組與廣州工業技術研究院、賓夕法尼亞州立大學、湖南師范大學等合作，在超冷鈣離子實驗平臺上，首次成功觀測到了不包含劉維爾奇異點的手性量子熱力學過程和手性量子態轉換。這項研究成果不僅極大地降低了演示非厄米手性動力學的實驗難度，也為研究非厄米量子系統中手性物理提供了新方法。相關研究成果發表在光學領域頂級國際學術期刊《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）上。
劉維爾奇異點是開放型量子系統中的一類特殊點，在該點處，非厄米量子系統的本征能量和本征態將發生簡并。利用劉維爾奇異點，人們不僅能完整描述量子系統非厄米動力學特征，而且能賦予開放量子系統類似黎曼面的非平庸幾何特征。在滿足絕熱近似的演化條件下，環繞劉維爾奇異點的非厄米動力學過程會展現出量子系統獨有的手性動力學特性。然而，受限于真實量子系統對退相干的極度敏感，迄今尚無相關實驗的報道。因而，尋找切實可行的方法來實驗探索與劉維爾奇異點相關的手性動力學顯得尤為重要。
在本項研究中，研究人員設計并實驗實現了不環繞劉維爾奇異點的手性動力學過程。由于不需要環繞劉維爾奇異點，實驗中能可控地保住體系的部分相干性，確保觀察到動力學演化中的量子性質。在此基礎上，研究人員研究了依賴手性特征的量子熱機和量子冷機以及手性量子態轉換過程。
a. 線性離子阱中激光照射下的超冷40Ca+離子
b. 手性動力學物理過程的原理示意圖
c.手性動力學過程中量子態隨時間的演化投影
研究人員通過精準的激光照射，操控離子的量子態在接近但不包含劉維爾奇異點的相空間做動力學演化，利用Landau-Zener躍遷，完成包含五個沖程的量子熱機過程。非封閉的動力學演化導致量子態的變換，可以觀察到循環方向與量子體系的手性行為之間的對應關系。封閉的動力學演化則對應于熱機循環，研究人員見證了不同循環方向所分別對應的致熱和致冷效應。這是首次在實驗上演示不包含劉維爾奇異點的手性量子熱力學循環和量子態轉移。該成果為探索單比特手性量子熱力學和研發手性全量子器件開辟了新的途徑。
該研究以“Chiral quantum heating and cooling with an optically controlled ion”為題發表在學術期刊《光：科學與應用》上，精密測量院博士生卜錦濤、副研究員張建奇和博士生丁戈弋為論文的共同第一作者，賓夕法尼亞州立大學教授?zdemir，湖南師范大學教授景輝，精密測量院副研究員周飛和研究員馮芒為共同通訊作者。
該工作得到了國家自然科學基金以及廣東省和廣州市多個基金項目的支持。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01483-5