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团队与广州工业技术研究院、日本理化学所和美国宾州州立大学等单位合作,在国际学术期刊《Nature Communications》在线发表题为“Dynamical Control of Quantum Heat Engines Using Exceptional Points”的论文。该论文描述了在非厄米量子系统中建立基于主方程刘维尔奇异点的量子热机理论,并利用囚禁钙离子实验平台在单原子层面上成功观察到新奇的非厄米动力学热机效应。据了解,这是国际上首次实现非厄米量子热机的实验报道,为探索和开发更多新奇的非厄米热力学效应、推动非厄米物理学与新兴能源科学的密切结合打开了道路。

在热力学中,热机是能将吸收的热能转化为有用功输出的一类热力学系统。热机理论的提出催生了第一次工业革命,人类社会从此迈进工业化社会阶段。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。当工作物质具有经典性质时,此类热机称为经典热机,如蒸汽机、内燃机等。当工作物质具有量子性质时,经典热机便转化为量子热机。

热机是一个开放系统,工作物质吸收的热能只有一小部分转化为有用功输出,而绝大部分的热能都耗散到外界环境。因此要实现热机有用功最大化输出,必须得提高热机的转化效率。由于经典热机会受环境因素的影响较大,如在做功过程中与空气产生摩擦,会导致其转化效率难以提高。而量子热机由于其本身的量子相干性,在与环境高度隔离的条件下可以超越经典热机的效率。

离子阱由于具有相干时间长的物理特性,是实现量子模拟的优秀实验平台。最近,通过在离子阱中构建经典的奥托循环、卡诺循环来研究基于囚禁离子量子体系的热机已经成为非平衡系统和量子热力学的一个研究热点。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等都在囚禁离子量子热机的理论和实验方面做了许多研究。

但是,对于量子热机而言,在与环境耦合的情况下是否仍然能实现高效的热转换是一个十分重要又悬而未决的问题。近年来,随着对非厄米物理系统的建立,科学家们已经可以利用刘维尔主方程和非厄米的哈密顿量来深入研究在与环境耦合的情况下量子系统的非厄米动力学演化,并在奇异点(即系统本征态和本征能量的简并点)附近发现了许多超越常规厄米系统的新奇效应。例如中山大学罗乐团队、人民大学的张翔团队、国防科技大学的陈平形团队都利用囚禁离子实现了宇称-时间对称的哈密顿量。冯芒教授研究团队这项研究也是将非厄米物理在囚禁离子量子体系上的另一次应用,有助于进一步促进非厄米量子物理的发展。

在囚禁离子量子体系中实现非厄米量子热机的模拟,在理论和实验上表明在开放系统下离子比特的操控可以达到很高的保真度,而且开放离子量子体系在纠错运算上具有独特的优势,因此将非厄米物理推广到量子计算上,能够为研发高保真度的离子阱量子计算机提供了一条新的路径。据了解,作为亚洲首家离子阱量子计算公司的启科量子已经研发了开放系统下离子比特的高保真度操控技术,有望在与外界环境耦合的条件中,实现几十高保真度量子比特计算机的运行。