超冷40Ca+离子实验平台。受访者供图

本报讯（记者李思辉 通讯员廖鑫）中科院精密测量院科学与技术创新研究院研究员冯芒团队与国内外合作者，利用超冷40Ca+离子实验平台，实现了国际上首个基于刘维尔奇异点（LEP）的拓扑量子热机，并展现了其动力学行为。实验证实了“刘维尔奇异点所引起的拓扑性质可以增强量子热机的输出功和效率”，为深入探讨量子热机的新奇特性和应用潜力提供了重要的实验证据。相关研究成果近日在线发表于《物理评论快报》。

探寻具有更高热机效率的微纳型量子体系不仅是一个科学前沿问题，更是一项技术挑战。由于量子热机循环过程中吸热、放热冲程都是通过工作物质与外部环境发生相互作用完成的，如何精准巧妙地操控工作物质的非厄米量子性质尤为重要。

在该实验中，研究人员运用离子阱量子操控技术实现了环绕与不环绕LEP的两类量子热机循环。离子阱系统是世界上公认的关键参数全面超过量子容错计算阈值的系统。冯芒团队长期致力于开发基于40Ca+离子的精密操控关键技术，不仅实现了对自旋量子态的精准操控，而且可以精确开合量子体系的耗散通道并调节耗散的大小，因此能够可控地展现非厄米量子系统的所有新奇特征。

LEP的存在导致由破缺相到精确相的拓扑相变，但拓扑相变本身是否具有热力学效应一直是悬而未决的问题。为解决这一难题，研究人员首先借助单个超冷40Ca+离子的三能级结构，精准确定了LEP及其精确相和破缺相的实验参数；随后，通过调控外加光场的频率失谐量，实现了环绕与不环绕LEP的两类量子热机循环。实验演示的量子热机包含等耗散压缩、等失谐加热、等耗散膨胀和等失谐冷却等4个冲程。多次实验结果显示，不环绕LEP的量子热机循环有可能做负功，环绕LEP的量子热机循环则始终做正功。基于严格的数据分析并与数值模拟比对，研究人员最终确认，LEP相关的拓扑性质具有热力学特性，可以应用于有效增强量子热机的输出功和效率。

该研究的结论和所展现的技术有望应用于开发分子马达、纳米机器人等微型智能装置。

相关论文信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.110402