科研进展：囚禁离子量子比特的非厄米量子热机研究

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组与广州工业技术研究院、日本理化学研究所、美国宾夕法尼亚州立大学等合作，在国际学术杂志《Nature Communications》上在线发表了一篇题为《Dynamic Control of Quantum Heat Engines Using Exceptional Points》的论文。本文介绍了基于主方程Liouville奇点在非埃尔米量子系统中建立的量子热机理论，并利用封闭钙离子实验平台成功地观测到了单原子水平上一种新型的非埃尔米动力热机效应。这是国际上首次实现非埃尔米量子热机的实验报告，为探索和开发更多新的非埃尔米热力学效应，推动非埃尔米物理学与新兴能源科学的紧密结合铺平了道路。在热力学中，热机是一种热力学系统，它将吸收的热能转换为有用的输出。热的提出产生了第一次革命，社会今后进入了化社会阶段。根据工作物质的性质划分，热机可分为经典热机和量子热机。当工作物质具有古典性质时，这种热机被称为古典热机，例如蒸汽机、内燃机等。当作用物质具有量子性质时，经典热机就转化为量子热机。热机是一个开放的系统，其中工作物质吸收的热能只有一小部分转化为有用的输出，大部分热能耗散到外部环境中。因此，为了实现热机的工作最大输出，必须提高热机的变换效率。由于经典的热机会受到环境因素的很大影响，例如，当工作中发生空气和摩擦时，提高其转换效率变得困难。由于其自身的量子相干性，量子热机在与环境高度隔离的条件下可以超过经典热机的效率。离子阱具有长相干时间的物理特性，是实现量子模拟的一个很好的实验平台。近年来，通过在离子阱中构建经典的奥托循环，卡诺循环，基于受限离子量子系统的热机研究已成为非平衡系统和量子热力学研究的热点。斯图加特大学的Eric Lutz，美因茨大学的Ferdinand Schmidt-Kaler和马里兰大学的Sebastian Deffner等人一直在对受限离子量子热机进行理论和实验研究。然而，在量子热机的情况下，在与环境耦合的情况下，是否可以进行有效的热转换，是一个非常重要和开放的问题。近年来，随着非埃尔米物理系统的建立，科学家利用Liouville主方程和非埃尔米哈密顿函数对量子系统与环境耦合的非埃尔米力学演化进行了深入研究，在奇点即系统固有态和固有能退化点附近发现了许多超越传统埃尔米系统的新效应.例如，中山大学的罗乐团队、中国人民大学的张翔团队和国防科技大学的陈平形团队已经使用陷阱离子实现了奇偶时间对称哈密顿函数。这项研究是非埃尔米物理学在受限离子量子系统中的应用，并将有助于非埃尔米量子物理学的进一步发展。在封闭离子量子体系中实现了非埃尔米量子热机的模拟，在理论和实验上表明，在开放系统中离子位的操作可以达到较高的保真度，并且开放离子量子体系在纠错运算中具有独特的优势，因此将非埃尔米物理扩展到量子计算中。这为高保真离子阱量子计算机的研究和开发提供了新的途径。作为亚洲第一家离子阱量子计算公司，启科量子在开放系统中开发了离子位的高保真控制技术，有望在与外部环境相结合的条件下，实现数十台高保真量子位计算机的运行。