没有曲柄的量子泵苏黎世 联邦理工学院从腔泄漏的光子的实验频谱。随着时间的推移（从上到下），系统从单一配置演变为两个截然不同的配置，反映在分裂成两个峰。学分：苏黎世联邦理工学院/Alexander Baumgärtner简而言之，泵是使用循环运动来实现某些货物的稳定运输的设备。在自行车打气筒中，活塞反复上下冲程会产生气流。在阿基米德螺杆泵中，水通过转动曲柄在水库之间转移。相关概念也已在量子系统中进行了探索，特别是用于通过固态材料一个接一个地传输电子，从而产生量子化电流。现在，由量子电子研究所 Tilman Esslinger 教授小组的高级科学家 Tobias Donner 博士领导的一个团队为这个故事增添了令人惊讶的转折。在《自然》杂志上撰文，他们报告了一种不需要从外部进行任何周期性驱动的量子泵——一种没有曲柄的泵绕组。

寻找新的谜题

Esslinger 和 Donner 的团队不是使用固态材料中的电子，而是使用由交叉激光束产生的复杂结构中的原子。这种合成晶体的优点是原子和晶格都可以精确控制，并且具有很大的灵活性。然后可以利用该平台更好地了解已知效应，或者生成量子系统以不可预见的方式运行的场景，理想地指向量子物理学的新现象。这正是团队在现在报告的工作中取得的成就。

他们实验的一个关键成分是形成合成晶体的光学腔。空腔用于调解原子和所涉及的光场之间的耦合。此外，从空腔中泄漏出来的光子构成了一个耗散通道，实验者对此也有很好的控制。这种包括耗散的系统被称为开放量子系统。重要的是，如果控制得当，耗散可能是一种资产，而不是一种麻烦：2019 年，Esslinger 小组的成员发现，从空腔泄漏的光子可以耦合合成晶体的不同配置，从而产生在这些配置之间振荡的动力学。这项工作于 2020 年发表在《科学》杂志上。阿基米德螺杆泵。信用：存在Shutterstock绕圈子进步

导致现在发表的工作的最大惊喜是实验观察到，被困在合成晶体结构中的原子开始移动。通过多次测量和数值模拟，研究人员确定了原子运动背后的机制：合成晶体在不同结构之间周期性缠绕，使得原子的质心在每个循环中在空间上移动一个固定的量——在与阿基米德泵中向上手性运动的有趣类比。仔细分析从腔泄漏的光场，ETH 物理学家获得了对该机制的详细见解，并表征了腔耗散和量子泵浦之间的相互作用。谁转动曲柄？

与之前的量子泵实现相比，这些实验的独特之处在于——与我们对泵的一般描述相比——在没有任何外部周期性驱动的情况下观察到粒子电流。驱动电流的是空腔的耗散，导致“自振荡”泵浦。在这种情况下，重要的是系统在其之间振荡的原子配置在非常基本的水平上是不同的，因为它们具有不同的所谓拓扑。实际上，这意味着所展示的传输机制应该对外部扰动保持稳定，并且对于泵送协议的详细形式也应该是稳健的。

这些都是令人兴奋的发现。拓扑和开放量子系统都是现代物理学中非常活跃的领域。两者之间的联系不仅为量子多体理论提供了试验平台，而且为实现量子物质的奇异态提供了实用工具。