我室林毅恒教授等人与德国斯图加特大学Eric Lutz教授等合作，在量子热力学领域取得重要进展。研究团队基于离子阱体系，对量子热机的输出功开展了实验研究。实验表明通过使用绝热捷径技术，可以实现高效率的、具有量子优越特征的量子热机。该成果以“Combining energy efficiency and quantum advantage in cyclic machines”为题发表于国际知名学术期刊《自然·通讯》[Nat. Commun. 16, 5127 (2025)]。

在量子热力学的研究中，有三个重要的科学问题亟待探索，其一，精确观测量子热机系统的量子特征；其二，压制因工作介质与外部驱动的哈密顿量非对易性引发的量子摩擦效应；其三，确定具有量子增强效果的参数区。这些问题的研究，对于从量子层面实现低能耗、高输出的热机系统具有重要的意义，意味着有望获得超越经典热机的性能表现。

本工作中，研究团队成功解决上述关键问题。研究组以钙离子的内部自旋作为对外做功单元，以钙离子的振动维为储能单元，构建出量子热机，并通过激光驱动实现循环运行。通过对做功单元和储能单元之间的施加相干驱动，成功观测到了输出功随循环周期数呈现非经典振荡现象，证实了系统的量子特征。为了压制量子摩擦效应，团队采用绝热捷径技术，在仅增加约3%的额外能量消耗情况下，使系统输出功提升约33%，展示了量子热机高效率输出的性能优势。此外，研究还表明，在特定参数区间内，该量子热机的性能表现始终优于相应的经典热机。这项工作表明不仅验证了量子热机同时具备高效率与量子优越性的可行性，更为后续高性能量子热机、量子制冷机的研发提供了实验支撑。

 图：量子热机输出功的量子特征及绝热捷径的输出增益

研究中使用的离子阱实验平台为开展量子模拟和量子计算实验研究提供了有力支撑。基于实验平台，研究组近期基于自旋-振动多维度调控方面还完成了多项研究工作，包括自动纠错[arXiv:2504.16746]，非线性量子振子的同步效应[arXiv:2504.00751]，宇称对称性保护[Phys. Rev. Lett. 134, 193604]等。

我室硕士研究生侯琬儿和本科生姚万超为本文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、合肥市等资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60179-5