近期，由冯芒研究员带领的中国科学院精密测量科学与技术创新研究院团队，联合广州工业技术研究院、日本理化学研究所以及美国宾州州立大学等机构，共同在国际顶级学术期刊《Nature Communications》上发表了题为“利用例外点动态控制量子热引擎”的研究成果。此研究聚焦于非厄米量子系统的构建与应用，特别是基于主方程刘维尔奇异点的理论框架，成功在单个原子层面上观察到了前所未有的非厄米动力学热机现象。这是国际范围内首次在实验中实现非厄米量子热机的报道，它为探索更多非厄米热力学效应、推进非厄米物理学与新兴能源科学的融合提供了重要方向。

热力学原理指导下的热机，作为将热能转化为机械能的设备，对人类社会的工业革命进程产生了深远影响。热机依据工作物质的不同属性，分为经典热机和量子热机两大类。当工作物质表现出经典物理特性时，对应的热机被称为经典热机，如蒸汽机、内燃机等；反之，若工作物质具有量子特性，则热机转变为量子热机。

热机作为开放系统，其效率受限于能量损失至外部环境。提升热机性能的关键在于优化能量转换效率，减少无用功的消耗。传统经典热机的效率受限于环境因素，如摩擦损耗，而量子热机因其固有的量子相干性，在与环境相对隔离的条件下，展现出超越经典热机的高效能潜力。

离子阱因其长期相干性的优势，成为量子模拟的理想平台。通过在离子阱中构建经典的奥托循环和卡诺循环，研究人员得以深入研究基于囚禁离子量子体系的热机行为，这一领域已成为非平衡系统和量子热力学研究的热点。德国斯图加特大学的Eric Lutz、德国美因茨大学的Ferdinand Schmidt-Kaler和美国马里兰大学的Sebastian Deffner等学者均在此领域进行了大量理论与实验研究。

然而，量子热机在与环境相互作用时如何实现高效的能量转换仍是一个亟待解决的难题。近年来，随着非厄米物理学的发展，科学家们利用刘维尔主方程和非厄米哈密顿量深入探究了量子系统在与环境耦合下的非厄米动力学演化，并在奇异点附近发现了超越传统厄米系统的新型效应。中山大学罗乐团队、中国人民大学的张翔团队、国防科技大学的陈平形团队等均通过囚禁离子实验验证了宇称-时间对称的哈密顿量。

冯芒教授的研究团队此次成果，将非厄米物理应用于囚禁离子量子体系，不仅丰富了非厄米量子物理的理论基础，也为量子计算技术的发展开辟了新路径。特别地，通过在开放离子量子体系中实现高保真度的量子比特操控，该研究为研发在与外界环境耦合条件下的高保真度离子阱量子计算机提供了可能性。目前，作为亚洲领先的离子阱量子计算公司之一，启科量子已研发出开放系统下离子比特的高保真度操控技术，预期在未来能够实现在复杂环境下运行几十个高保真度量子比特的计算任务。