Физический принцип для параметрических петель в окрестности LEP в пространстве параметров квантовой тепловой машины с одним захваченным ионом.
Кредит: Light: Science & Applications (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01483-5

Тепловые двигатели, преобразующие тепло в полезную работу, жизненно важны в современном обществе. С развитием нанотехнологий изучение квантовых тепловых двигателей (QHE) имеет решающее значение для проектирования эффективных систем и понимания квантовой термодинамики.

QHE, работающие как открытые квантовые системы, обмениваются энергией с внешними термальными ваннами, что приводит к квантовым скачкам. Поэтому динамика QHE может быть полностью описана и хорошо понята только с использованием исключительных точек Лиувилля (LEP), а не традиционных гамильтоновых EP, особенно для QHE на основе кубитов.

Однако, в отличие от обширных исследований гамильтоновых EP, LEP и связанные с ними эффекты остаются в значительной степени неизученными в квантовых системах, особенно в квантовой термодинамике. LEP предлагают новый подход, описывая физические свойства, вызванные квантовыми скачками.

В статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа под руководством профессора Манг Фэна из Инновационной академии прецизионных измерений и технологий Китайской академии наук в сотрудничестве с профессором Хуэй Цзином из Хунаньского педагогического университета и профессором Шахином К. Оздемиром из Университета штата Пенсильвания демонстрирует хиральный квантовый нагрев и охлаждение, а также перенос квантового состояния с использованием оптически управляемого иона.

Работа раскрывает хиральные термодинамические свойства квантовых систем с неэрмитовой динамикой путем динамического обхода замкнутого контура без вовлечения LEP. Направление обхода замкнутого контура влияет на то, действует ли система как тепловой двигатель или холодильник.

Их исследование подчеркивает роль неадиабатических переходов и процесса Ландау-Зенера-Штюкельберга (LZS) в достижении хиральной операции. Этот эксперимент впервые связывает процесс LZS для хиральности с термодинамическими эффектами, связанными с LEP.

Экспериментальные результаты, вытекающие из топологического ландшафта римановых поверхностей, могут открыть новые пути в понимании хирального и топологического поведения в неэрмитовых системах и объединить хиральность и квантовую термодинамику.

«Наши результаты показывают, что хиральность и теплообмен в нашей квантовой системе связаны с направлением окружности замкнутых контуров без LEP. Мы ясно показываем, что асимметричное преобразование мод напрямую связано с топологическим ландшафтом римановых поверхностей и не обязательно с окружностью LEP этой квантовой системы, что подтверждает предыдущие отчеты для классических систем», — сказал профессор Фэн.

«Этот эксперимент прокладывает путь к новым исследованиям в области квантовой термодинамики и разработке более эффективных квантово-хиральных устройств».

Эксперимент команды также подчеркивает важность LEP в оптимизации динамики QHE и повышении их эффективности. Эти идеи могут привести к прогрессу в различных квантовых технологиях, включая системы преобразования энергии и квантовые вычисления.