据中国科学报12月5日报道，美国量子化学家正在用人造砌体进行实验量子物理应用领域，试图证明几年前刚刚理论化的一个效应：量子推进可以使砌体的功率输出低于人造砌体的功率输出。经典砖石。 热力学定义的水平。
（图片来自中国科学报）
只有鲁莽的化学家才敢尝试打破热力学定律。 然而，事实证明可能有一种方法可以改变这个定理。 在日本牛津大学的一个实验室中，量子化学家正试图用一小块人造砖来做到这一点。 最初，砖石几乎看不见，被一堆光纤和全身镜吞没。 但当研究人员打开红色激光时，砖石中的缺陷就会亮起，晶体开始发出蓝光。
在这束光束中，科学家们发现了几年前理论化的效应的初步证据：量子推进可以将砖石的功率输出推至经典热力学定义的水平以下。 如果推论成立，将为量子热力学的研究带来实实在在的好处。 量子热力学是一个相对较新的领域，致力于阐明在原子尺度上控制热和能量流动的定理。
破坏定理
经典热力学定理的发展可以追溯到 19 世纪。 它们的诞生是为了理解蒸汽机和其他宏观系统的努力。 体温、热量等热力学变量本质上是统计变量，但是根据小群体粒子的平均运动来定义的。 但早在 20 世纪 80 年代，该领域的早期先驱、以色列希伯来研究所的研究人员就开始怀疑，对于更小的系统来说，这种情况是否仍然可能发生。
介绍说，这在当时并不是一个热门的研究分支，因为要回答的问题大多是具体的，希望将其与实验结合起来是无望的。 “这个领域发展非常缓慢，”他说。 “我诱敌作战多年。”
大约六年前，这一切都发生了巨大的变化，随着有关技术小型化局限性的问题变得更加紧迫，并且取得了实验性突破。 研究人员进行了一系列实验，以确定如何将热力学和量子理论结合起来。 但他表示，由此产生的提案造成的混乱多于澄清。 一些人声称量子设备可以在不损坏的情况下突破经典热力学极限，从而充当不需要任何能量输入的永动机。 其他人则提出热力学定律在极小的尺度上应该保持不变。 然而，他们同样感到困惑。 “在个别情况下，你可以使用相同的方程来推导单原子底盘和车辆发动机的性能，”介绍说，“但它看起来也令人惊讶——当然，当物体看起来越来越小时，应该达到某种量子极限。” 在经典热力学中，单个粒子没有体温。 出于这个原因，日本弗莱堡大学的量子化学家认为，当工作系统及其环境接近这一极限时，想象它们遵守标准热力学规则就变得越来越可笑。
找到极限
受到信息是与热力学密切相关的数学量这一想法的启发，研究人员试图重写热力学定律，以便它们也适用于量子领域。
永动机显然是不可能的。 然而，早期的希望是量子热力学给出的约束可能没有经典领域那么严格。 以色列理工大学的量子化学家 Raam Uzdin 表示：“这是我们从量子计算中学到的一系列想法，即量子效应有助于打破经典界限。”
他还表示，令人沮丧的是，事实并非如此。 最新的分析表明，第二定理（控制功效）和第三定理（禁止系统达到绝对零）的量子版本与传统版本相比保持着类似的约束，在某些情况下甚至更具限制性。
该理论还揭示了一些潜在的回旋余地。 德国斯图加特光子科学研究所的量子化学家 Arnau Riera 和 Nath Bera 组成的团队在对充满粒子的冷热室之间的信息流进行理论分析时，发现了一个奇怪的场景：热室却自发地出现更热，而寒冷的房间则显得更凉爽。 “一开始，这看起来很疯狂，就好像我们违反了热力学定律，”贝拉说。 但研究人员很快意识到他们忽略了量子扭曲量子物理应用领域，即室内的粒子似乎彼此纠缠在一起。 理论上，形成和打破这种关联提供了储存和释放能量的技巧。 一旦整合了这些量子资源，热力学定律就开始出现。
几个独立团体提出利用这种纠缠在“量子电池”中储存能量。 与此同时，美国理工学院的一个团队正试图借助超导量子位构建的电池来证实西班牙团队的预测。 原则上，这种量子电池的充电速度比传统电池快得多。 “你不能提取和储存超出传统限制允许的能量——这是第二定律规定的，”里拉说。 “但你也许能够提高能量提取和存储的速度。”
一些研究人员正在寻找越来越简单的方法来操纵量子计算应用中的位。 日本滑铁卢学院的量子化学家罗德里格斯和他的朋友们设计了一种方法，通过操纵量子位对的基态来潜在地增加量子计算操作所需的冷却。 他们现在计划在超导量子位的帮助下在实验室测试这个想法。
迈出重要一步
利用量子效应来改善热力学性质的概念也激发了牛津学院正在进行的砖石实验。 该测试是由同样在希伯来学院工作的乌兹丁和利维首先提出的。 由分散在砖石中的氮原子产生的缺陷充当底盘，这是一种在首先接触低温热源（在本例中为激光）然后接触高温热源后可以运行的机器。 然而，他和他的同事希望底盘能够在升压模式下运行，这要归功于量子效应，允许一些电子同时存在于两种能量状态。 通过发射激光脉冲而不是连续光束来维持这种叠加应该可以使砌体晶体更快地释放微波光子。
最近，牛津大学的团队发表了一份初步分析，显示了预测的量子推进的证据。 这篇论文尚未经过同行评审，但如果这项工作成功，“这将是一个突破，”埃克塞特学院的量子化学家珍妮特说。 但与此同时，人们感觉到底是什么让这一“壮举”成为可能，目前还不清楚。 “它看起来像是一种神奇的燃料，不会增加太多能量，但可以让底盘更快地提取能量，”他说。 “理论化学家仍然需要弄清楚它是如何做到的。”
对于法兰克福学院的量子化学家彼得来说，重点实验只是朝着复兴该领域的正确方向迈出的重要一步。 但对他来说，这些实验还不够大胆，无法提供真正突破性的见解。 与此同时，还有一个不容忽视的挑战：探测操作以及与环境的相互作用可能会对量子系统造成不可逆的干扰。 引言称，新试验的理论建议中几乎没有充分考虑到这些影响。 “这很难估计，更难在试验中实施。”
负责砖石实验的牛津大学实验室负责人伊恩也对该领域的未来持谨慎态度。 尽管近年来他和其他实验学家仍然对量子热力学感兴趣，但他表示他们的兴趣很大程度上是“机会主义的”。 他们看到了使用已经成功安装用于其他目的的设备进行相对快速和简单实验的机会。 例如，砖石缺陷测试装置已广泛用于研究量子计算和传感应用。 我感觉量子热力学领域目前正在蓬勃发展。 “但它是否会继续活跃，或者最终会变得一无所获，我们拭目以待。”
（编译：宗华）
新浪科技公众号