Experimente demonstrieren chirale Quantenheizung und -kühlung mit einem optisch kontrollierten Ion

Wärmekraftmaschinen, die Wärme in nutzbare Arbeit umwandeln, sind in der modernen Gesellschaft unverzichtbar. Mit den Fortschritten in der Nanotechnologie ist die Erforschung von Quantenwärmekraftmaschinen (QHEs) von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung effizienter Systeme und das Verständnis der Quantenthermodynamik.

QHEs, die als offene Quantensysteme arbeiten, tauschen Energie mit externen Wärmebädern aus, was zu Quantensprüngen führt. Daher kann die Dynamik von QHEs nur mithilfe von Liouvilleschen Ausnahmepunkten (LEPs) und nicht mithilfe traditioneller Hamiltonscher EPs vollständig beschrieben und gut verstanden werden, insbesondere bei Qubit-basierten QHEs.

Im Gegensatz zu umfangreichen Studien zu Hamiltonschen EPs sind LEPs und die damit verbundenen Effekte in Quantensystemen, insbesondere in der Quantenthermodynamik, jedoch noch weitgehend unerforscht. LEPs bieten einen neuen Ansatz zur Beschreibung physikalischer Eigenschaften, die durch Quantensprünge verursacht werden.

In einem veröffentlichten Artikel In Licht: Wissenschaft und Anwendungenein Team unter der Leitung von Professor Mang Feng von der Innovationsakademie für Präzisionsmesswissenschaft und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, demonstriert in Zusammenarbeit mit Prof. Hui Jing von der Hunan Normal University und Prof. Şahin K. Özdemir von der Pennsylvania State University chirale Quantenerwärmung und -kühlung sowie Quantenzustandstransfer mithilfe eines optisch kontrollierten Ions.

Die Arbeit enthüllt chirale thermodynamische Eigenschaften von Quantensystemen mit nicht-hermitescher Dynamik durch dynamisches Umrunden einer geschlossenen Schleife ohne Beteiligung von LEP. Die Richtung des Umrundens der geschlossenen Schleife beeinflusst, ob das System als Wärmekraftmaschine oder als Kühlschrank fungiert.

Ihre Studie unterstreicht die Rolle nicht-adiabatischer Übergänge und des Landau-Zener-Stückelberg-Prozesses bei der Erzielung chiraler Vorgänge. Dieses Experiment verbindet zum ersten Mal den LZS-Prozess für Chiralität mit LEP-bezogenen thermodynamischen Effekten.

Die experimentellen Ergebnisse, die sich aus der topologischen Landschaft der Riemann-Flächen ergeben, könnten neue Wege zum Verständnis chiraler und topologischer Verhaltensweisen in nicht-hermiteschen Systemen eröffnen und eine Brücke zwischen Chiralität und Quantenthermodynamik schlagen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Chiralität und Wärmeaustausch in unserem Quantensystem mit der Kreisrichtung der geschlossenen Schleifen ohne LEP verknüpft sind. Wir zeigen deutlich, dass die asymmetrische Moduskonvertierung direkt mit der topologischen Landschaft der Riemann-Flächen zusammenhängt und nicht unbedingt mit der Kreisrichtung eines LEP dieses Quantensystems, was frühere Berichte für klassische Systeme unterstützt“, sagte Prof. Feng.

„Dieses Experiment ebnet den Weg für neue Untersuchungen in der Quantenthermodynamik und die Entwicklung effizienterer quantenchiraler Geräte.“

Das Experiment des Teams unterstreicht auch die Bedeutung von LEPs bei der Optimierung der QHE-Dynamik und der Steigerung ihrer Effizienz. Diese Erkenntnisse könnten zu Fortschritten in verschiedenen Quantentechnologien führen, darunter Energieumwandlungssysteme und Quantencomputer.