我国实现国际首个开放量子热机实验

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冯芒（右二）团队在实验室。杨婷婷/摄

本报讯（见习记者李思辉通讯员杨婷婷）近日，中科院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称精密测量院）利用超冷离子实验平台，设计并实现了国际上第一个非厄米量子热机实验。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。研究成果在线发表于《自然-通讯》。

热机是利用工作物质从热库吸热并对外输出可用功的一类机械。近年来，随着人类对微观世界认识的逐步深入以及量子信息科学的发展，科学家开始探索基于量子工作物质的热机。这种只有微纳尺度的量子热机，不仅有望在效率上超越传统热机，还是探索量子体系演化过程中能量-信息转换和功-热转换的理想实验平台。不过，量子热机作为一个开放体系，热机的吸热和做功都是在工作物质与外部环境的相互作用过程中完成，因此需要考虑针对非厄米量子系统的调控。

精密测量院研究员冯芒团队的实验结果显示，由于量子相干性的存在，热机处于严格相时激发态布居的上下振荡会导致吸热和放热过程中存在额外的吸放热；而耗散会抑制激发态布居的振荡。研究人员由此推测：如果想提高量子热机效率，应该保持等容加热冲程中的布居振荡，抑制等容冷却冲程中的布居振荡，即前者处于严格相，后者处于破缺相。

该热机的工作物质是一个开放的量子体系，实验观察得出“等容加热冲程和等容冷却冲程分别处于严格相和破缺相的量子奥拓热机具有最高的热机效率”的新结论。此外，由于上述研究中的工作物质是单个原子，而原子是化学变化中的最小粒子，因此该研究的结论和所展现的技术具有一定的普适性，有望应用于能源、生物、医药和工程等领域，并用于开发分子马达、纳米机器人和微型智能装置等。