中科院精测院冯芒团队成功实现国际首个非厄米量子热机实验

光子盒研究院出品

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来自广州工业技术研究院、郑州大学和密歇根大学的科学家合作，开发出一种量子热机(heat engine)：使用单个原子作为马达，有望应用于能源、生物、医药和工程等领域，用于开发分子马达、纳米机器人和微型智能装置等。通过使用激光精确操纵量子离子的状态，该团队克服了在微观尺度上运行动力系统的障碍。

这项研究于10月以《利用奇异点对量子热机进行动态控制》为题[1]，发表在《自然通讯》杂志上。

01

全新量子热机：由不同频率、不同强度的激光束推动

量子系统对外界干扰特别敏感，但与外界的能量交换是不可避免的。论文表示，激光技术的突破导致了一种可以抵抗外部干扰的量子热机。一个蒸汽机在一个完整的工作循环中要经过四种热力学模式：即绝热压缩、等温加热、绝热膨胀和等温冷却。

在冯团队的量子热机中，单个钙离子（Ca+）作为类似蒸汽的工作介质，循环的压缩或加热过程由不同频率和强度的激光束来推动。这个量子热机以光的形式产生动力：光的强度不同，使得离子的模式变化可以观察到。

40Ca+离子中的单自旋量子热机，表现出Liouvillian奇异点（LEP），如D图所示。

具体来说，实验团队报告了一个单离子热机的实验实现，并证明了Liouvillian奇异点对量子热机的动力学、性能的影响。实验表明，在奥托循环（Otto cycle）的等温加热和冷却冲程中，发动机分别在精确相位和断裂相位运行，这两个相位被一个Liouvillian奇异点隔开；与完全在精确相位执行奥托循环相比，产生了更多的功和输出功率，并实现了更高的效率：因为系统具有振荡动力学和更高的一致性。这一结果为量子热机的控制提供了更多可能性。

奥托循环的等温线加热过程处于精确阶段、等温线冷却过程处于断裂阶段的示意图。

02

颠覆了主流观念

实验结果颠覆了“增加量子相干性便可提升量子热机效率”的主流观念。以前人们普遍认为，离子的量子特征越强，热机的效率就越高，量子热机的工作效率只与热机的启动功率有关。然而，借助一个可控的激光器，冯团队发现在不同的热机模式下，离子的量子特征可以达到最大效率。

这一理论不仅是对前沿科学的探索，也是对主流观点的挑战，并在一些科学家中产生了意见分歧：论文的提交过程花了一年多的时间，同行专家提出了许多问题。

“但真理是不言而喻的。我们最终提出并发表了这项工作；尽管这项工作存在争议。”冯芒表示[2]：“我们对此也持谨慎态度。我们在这个领域已经工作了10多年，我们一直在关注量子系统的能量和信息转换。我们在反复验证理论和实验后提交了这些论文。”

03

距离实际应用，仍有两大发展方向……

在该技术能够被使用之前，还有更多的工作要做。

研究人员表示，在可用的分子马达问世之前，仍有许多工作要做。

冯芒表示：“我们的研究主要提供了一个示范。为了实际制造可用的分子马达或为纳米机器人提供动力：我们需要找到一种合适的工作介质，就像蒸汽机中的水蒸气一样。”

该团队有两个后续研究方向：找到激光帮助发动机产生最高输出功率的确切点；同时，通过改变发动机循环的方向，利用与冰箱压缩机相同的原理，制造出一台冷机。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-33667-1

[2]https://www.scmp.com/news/china/science/article/3199714/chinese-scientists-build-atom-sized-4-stroke-quantum-engine

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