近日，广州工业技术研究院量子精密测量研究中心与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、湖南师范大学、美国宾夕法尼亚州立大学等研究机构合作，利用超冷⁴⁰Ca⁺离子实验平台，实验实现了国际上首个基于刘维尔奇异点的拓扑量子热机并展现了其动力学行为。相关研究在线发表于《物理评论快报》。

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。该热机的工作物质是一个开放的（专业术语为“非厄米的”）单比特量子体系，这样的体系中存在本征能量的简并点（即本征态和本征能量塌缩到一点），称为“刘维尔奇异点”（LEP）。

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来完成，因此，如何精准巧妙地操控工作物质的非厄米量子性质显得尤为重要。

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在相干时间、量子态制备、（单比特和两比特）量子态操作、量子态测量等关键参数全面超过量子容错计算阈值的系统，是目前最有希望展现量子技术应用优越性的物理系统之一。

研究团队通过改变量子热机做功冲程的变频范围，对比环绕与不环绕LEP的两类热机循环，实验见证了“LEP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。

研究人员首先借助单个超冷⁴⁰Ca⁺离子的三能级结构，精准地确定了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。多次实验的结果显示，不环绕LEP的量子热机循环有可能做负功；但环绕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。

该项研究在原子层次的非厄米量子体系中精确展现了国际上第一个基于刘维尔奇异点的拓扑性质的量子热机，见证了拓扑性质所带来的热力学效应。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。

上述研究得到国家自然科学基金重点项目、广东省重点领域研发计划重大专项和广州市重点实验室项目的资助。

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