中科院精测院实现世界第一个开放量子热机实验

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中科院精测院研究员冯芒（右二）带领团队进行研究分析。 杨婷婷摄

深夜11时后，地铁停运、车辆减少，整座城市逐渐进入熟睡期。中科院精密测量院一间实验室里，科学家的研究才刚刚开始。

“白天地铁等声音扰动太多，夜深人静之后才能开展研究。”不久前，这群“黑夜里的科学家”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。该研究成果10月20日在线发表在《自然-通讯》上。

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，对人类文明的进程曾起到过巨大的推动作用。18世纪中叶，热机的发明导致机车引擎的出现，使人类进入第一次工业革命（即蒸汽机工业）时代。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，科学界开始探索基于量子工作物质的热机。这种量子热机虽然只有微纳尺度，但不仅有望在效率上超越传统的热机，而且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。

中科院精密测量院研究员冯芒团队旨在利用量子精密测量技术来探索量子世界的未知领域。本项实验结果显示，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。合作团队的研究人员由此推测：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，但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。经过精心设计方案，多次实验和比对数据，研究人员最终确认“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”。

该热机的工作物质是一个开放的量子体系，实验观察显示出“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，用于开发分子马达、纳米机器人和微型智能装置等。

冯芒在接受《中国科学报》采访时表示：“目前这一颠覆主流观念的观点还存在很大争议，但反复实验得出的结论，至少可以作为一种新观点，引发更多深入研究和讨论。”