精密测量院在手性量子热力学研究方面取得新进展

近日，精密测量院束缚体系量子信息处理研究组与广州工业技术研究院、宾夕法尼亚州立大学、湖南师范大学等合作，在超冷钙离子实验平台上，首次成功观测到了不包含刘维尔奇异点的手性量子热力学过程和手性量子态转换。这项研究成果不仅极大地降低了演示非厄米手性动力学的实验难度，也为研究非厄米量子系统中手性物理提供了新方法。相关研究成果发表在光学领域顶级国际学术期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。

刘维尔奇异点是开放型量子系统中的一类特殊点，在该点处，非厄米量子系统的本征能量和本征态将发生简并。利用刘维尔奇异点，人们不仅能完整描述量子系统非厄米动力学特征，而且能赋予开放量子系统类似黎曼面的非平庸几何特征。在满足绝热近似的演化条件下，环绕刘维尔奇异点的非厄米动力学过程会展现出量子系统独有的手性动力学特性。然而，受限于真实量子系统对退相干的极度敏感，迄今尚无相关实验的报道。因而，寻找切实可行的方法来实验探索与刘维尔奇异点相关的手性动力学显得尤为重要。

在本项研究中，研究人员设计并实验实现了不环绕刘维尔奇异点的手性动力学过程。由于不需要环绕刘维尔奇异点，实验中能可控地保住体系的部分相干性，确保观察到动力学演化中的量子性质。在此基础上，研究人员研究了依赖手性特征的量子热机和量子冷机以及手性量子态转换过程。

a. 线性离子阱中激光照射下的超冷⁴⁰Ca⁺离子

b. 手性动力学物理过程的原理示意图

c.手性动力学过程中量子态随时间的演化投影

研究人员通过精准的激光照射，操控离子的量子态在接近但不包含刘维尔奇异点的相空间做动力学演化，利用Landau-Zener跃迁，完成包含五个冲程的量子热机过程。非封闭的动力学演化导致量子态的变换，可以观察到循环方向与量子体系的手性行为之间的对应关系。封闭的动力学演化则对应于热机循环，研究人员见证了不同循环方向所分别对应的致热和致冷效应。这是首次在实验上演示不包含刘维尔奇异点的手性量子热力学循环和量子态转移。该成果为探索单比特手性量子热力学和研发手性全量子器件开辟了新的途径。

该研究以“Chiral quantum heating and cooling with an optically controlled ion”为题发表在学术期刊《光：科学与应用》上，精密测量院博士生卜锦涛、副研究员张建奇和博士生丁戈弋为论文的共同第一作者，宾夕法尼亚州立大学教授Özdemir，湖南师范大学教授景辉，精密测量院副研究员周飞和研究员冯芒为共同通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金以及广东省和广州市多个基金项目的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01483-5