近日，精密測量院束縛體系量子信息處理研究組與廣州工業(yè)技術(shù)研究院、賓夕法尼亞州立大學(xué)、湖南師范大學(xué)等合作，在超冷鈣離子實驗平臺上，首次成功觀測到了不包含劉維爾奇異點的手性量子熱力學(xué)過程和手性量子態(tài)轉(zhuǎn)換。這項研究成果不僅極大地降低了演示非厄米手性動力學(xué)的實驗難度，也為研究非厄米量子系統(tǒng)中手性物理提供了新方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域頂級國際學(xué)術(shù)期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上。

劉維爾奇異點是開放型量子系統(tǒng)中的一類特殊點，在該點處，非厄米量子系統(tǒng)的本征能量和本征態(tài)將發(fā)生簡并。利用劉維爾奇異點，人們不僅能完整描述量子系統(tǒng)非厄米動力學(xué)特征，而且能賦予開放量子系統(tǒng)類似黎曼面的非平庸幾何特征。在滿足絕熱近似的演化條件下，環(huán)繞劉維爾奇異點的非厄米動力學(xué)過程會展現(xiàn)出量子系統(tǒng)獨有的手性動力學(xué)特性。然而，受限于真實量子系統(tǒng)對退相干的極度敏感，迄今尚無相關(guān)實驗的報道。因而，尋找切實可行的方法來實驗探索與劉維爾奇異點相關(guān)的手性動力學(xué)顯得尤為重要。

在本項研究中，研究人員設(shè)計并實驗實現(xiàn)了不環(huán)繞劉維爾奇異點的手性動力學(xué)過程。由于不需要環(huán)繞劉維爾奇異點，實驗中能可控地保住體系的部分相干性，確保觀察到動力學(xué)演化中的量子性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，研究人員研究了依賴手性特征的量子熱機(jī)和量子冷機(jī)以及手性量子態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

a. 線性離子阱中激光照射下的超冷⁴⁰Ca⁺離子

b. 手性動力學(xué)物理過程的原理示意圖

c.手性動力學(xué)過程中量子態(tài)隨時間的演化投影

研究人員通過精準(zhǔn)的激光照射，操控離子的量子態(tài)在接近但不包含劉維爾奇異點的相空間做動力學(xué)演化，利用Landau-Zener躍遷，完成包含五個沖程的量子熱機(jī)過程。非封閉的動力學(xué)演化導(dǎo)致量子態(tài)的變換，可以觀察到循環(huán)方向與量子體系的手性行為之間的對應(yīng)關(guān)系。封閉的動力學(xué)演化則對應(yīng)于熱機(jī)循環(huán)，研究人員見證了不同循環(huán)方向所分別對應(yīng)的致熱和致冷效應(yīng)。這是首次在實驗上演示不包含劉維爾奇異點的手性量子熱力學(xué)循環(huán)和量子態(tài)轉(zhuǎn)移。該成果為探索單比特手性量子熱力學(xué)和研發(fā)手性全量子器件開辟了新的途徑。

該研究以“Chiral quantum heating and cooling with an optically controlled ion”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》上，精密測量院博士生卜錦濤、副研究員張建奇和博士生丁戈弋為論文的共同第一作者，賓夕法尼亞州立大學(xué)教授?zdemir，湖南師范大學(xué)教授景輝，精密測量院副研究員周飛和研究員馮芒為共同通訊作者。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金以及廣東省和廣州市多個基金項目的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01483-5