據中國科學報12月5日報道，美國量子化學家正在用人造砌體進行實驗量子物理應用領域，試圖證明幾年前剛剛理論化的一個效應：量子推進可以使砌體的功率輸出低于人造砌體的功率輸出。經典磚石。 熱力學定義的水平。
（圖片來自中國科學報）
只有魯莽的化學家才敢嘗試打破熱力學定律。 然而，事實證明可能有一種方法可以改變這個定理。 在日本牛津大學的一個實驗室中，量子化學家正試圖用一小塊人造磚來做到這一點。 最初，磚石幾乎看不見，被一堆光纖和全身鏡吞沒。 但當研究人員打開紅色激光時，磚石中的缺陷就會亮起，晶體開始發出藍光。
在這束光束中，科學家們發現了幾年前理論化的效應的初步證據：量子推進可以將磚石的功率輸出推至經典熱力學定義的水平以下。 如果推論成立，將為量子熱力學的研究帶來實實在在的好處。 量子熱力學是一個相對較新的領域，致力于闡明在原子尺度上控制熱和能量流動的定理。
破壞定理
經典熱力學定理的發展可以追溯到 19 世紀。 它們的誕生是為了理解蒸汽機和其他宏觀系統的努力。 體溫、熱量等熱力學變量本質上是統計變量，但是根據小群體粒子的平均運動來定義的。 但早在 20 世紀 80 年代，該領域的早期先驅、以色列希伯來研究所的研究人員就開始懷疑，對于更小的系統來說，這種情況是否仍然可能發生。
介紹說，這在當時并不是一個熱門的研究分支，因為要回答的問題大多是具體的，希望將其與實驗結合起來是無望的。 “這個領域發展非常緩慢，”他說。 “我誘敵作戰多年。”
大約六年前，這一切都發生了巨大的變化，隨著有關技術小型化局限性的問題變得更加緊迫，并且取得了實驗性突破。 研究人員進行了一系列實驗，以確定如何將熱力學和量子理論結合起來。 但他表示，由此產生的提案造成的混亂多于澄清。 一些人聲稱量子設備可以在不損壞的情況下突破經典熱力學極限，從而充當不需要任何能量輸入的永動機。 其他人則提出熱力學定律在極小的尺度上應該保持不變。 然而，他們同樣感到困惑。 “在個別情況下，你可以使用相同的方程來推導單原子底盤和車輛發動機的性能，”介紹說，“但它看起來也令人驚訝——當然，當物體看起來越來越小時，應該達到某種量子極限。” 在經典熱力學中，單個粒子沒有體溫。 出于這個原因，日本弗萊堡大學的量子化學家認為，當工作系統及其環境接近這一極限時，想象它們遵守標準熱力學規則就變得越來越可笑。
找到極限
受到信息是與熱力學密切相關的數學量這一想法的啟發，研究人員試圖重寫熱力學定律，以便它們也適用于量子領域。
永動機顯然是不可能的。 然而，早期的希望是量子熱力學給出的約束可能沒有經典領域那么嚴格。 以色列理工大學的量子化學家 Raam Uzdin 表示：“這是我們從量子計算中學到的一系列想法，即量子效應有助于打破經典界限。”
他還表示，令人沮喪的是，事實并非如此。 最新的分析表明，第二定理（控制功效）和第三定理（禁止系統達到絕對零）的量子版本與傳統版本相比保持著類似的約束，在某些情況下甚至更具限制性。
該理論還揭示了一些潛在的回旋余地。 德國斯圖加特光子科學研究所的量子化學家 Arnau Riera 和 Nath Bera 組成的團隊在對充滿粒子的冷熱室之間的信息流進行理論分析時，發現了一個奇怪的場景：熱室卻自發地出現更熱，而寒冷的房間則顯得更涼爽。 “一開始，這看起來很瘋狂，就好像我們違反了熱力學定律，”貝拉說。 但研究人員很快意識到他們忽略了量子扭曲量子物理應用領域，即室內的粒子似乎彼此糾纏在一起。 理論上，形成和打破這種關聯提供了儲存和釋放能量的技巧。 一旦整合了這些量子資源，熱力學定律就開始出現。
幾個獨立團體提出利用這種糾纏在“量子電池”中儲存能量。 與此同時，美國理工學院的一個團隊正試圖借助超導量子位構建的電池來證實西班牙團隊的預測。 原則上，這種量子電池的充電速度比傳統電池快得多。 “你不能提取和儲存超出傳統限制允許的能量——這是第二定律規定的，”里拉說。 “但你也許能夠提高能量提取和存儲的速度。”
一些研究人員正在尋找越來越簡單的方法來操縱量子計算應用中的位。 日本滑鐵盧學院的量子化學家羅德里格斯和他的朋友們設計了一種方法，通過操縱量子位對的基態來潛在地增加量子計算操作所需的冷卻。 他們現在計劃在超導量子位的幫助下在實驗室測試這個想法。
邁出重要一步
利用量子效應來改善熱力學性質的概念也激發了牛津學院正在進行的磚石實驗。 該測試是由同樣在希伯來學院工作的烏茲丁和利維首先提出的。 由分散在磚石中的氮原子產生的缺陷充當底盤，這是一種在首先接觸低溫熱源（在本例中為激光）然后接觸高溫熱源后可以運行的機器。 然而，他和他的同事希望底盤能夠在升壓模式下運行，這要歸功于量子效應，允許一些電子同時存在于兩種能量狀態。 通過發射激光脈沖而不是連續光束來維持這種疊加應該可以使砌體晶體更快地釋放微波光子。
最近，牛津大學的團隊發表了一份初步分析，顯示了預測的量子推進的證據。 這篇論文尚未經過同行評審，但如果這項工作成功，“這將是一個突破，”埃克塞特學院的量子化學家珍妮特說。 但與此同時，人們感覺到底是什么讓這一“壯舉”成為可能，目前還不清楚。 “它看起來像是一種神奇的燃料，不會增加太多能量，但可以讓底盤更快地提取能量，”他說。 “理論化學家仍然需要弄清楚它是如何做到的。”
對于法蘭克福學院的量子化學家彼得來說，重點實驗只是朝著復興該領域的正確方向邁出的重要一步。 但對他來說，這些實驗還不夠大膽，無法提供真正突破性的見解。 與此同時，還有一個不容忽視的挑戰：探測操作以及與環境的相互作用可能會對量子系統造成不可逆的干擾。 引言稱，新試驗的理論建議中幾乎沒有充分考慮到這些影響。 “這很難估計，更難在試驗中實施。”
負責磚石實驗的牛津大學實驗室負責人伊恩也對該領域的未來持謹慎態度。 盡管近年來他和其他實驗學家仍然對量子熱力學感興趣，但他表示他們的興趣很大程度上是“機會主義的”。 他們看到了使用已經成功安裝用于其他目的的設備進行相對快速和簡單實驗的機會。 例如，磚石缺陷測試裝置已廣泛用于研究量子計算和傳感應用。 我感覺量子熱力學領域目前正在蓬勃發展。 “但它是否會繼續活躍，或者最終會變得一無所獲，我們拭目以待。”
（編譯：??宗華）
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