“量子”突破热机效率的新希望！新研究展示量子热机中量子关联的独特作用

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热机在人类社会发展进程和生活中发挥着重要作用，现代化的交通运输工具都是靠其提供动力，包括在分析仪器中也有着不可忽略的作用，同时也是一些仪器中的重要配件。近年来，人们一直在为提高热机的效率而努力，在摸索中对蒸汽机等热机的结构不断进行着各种尝试与改进，尽量减少热机的漏气、散热、摩擦等因素的影响，但热机效率的提高依然很微弱，如何提高热机效率一直是热力学的核心科学问题。

近日，中国科学技术大学杜江峰院士、王亚教授等在金刚石氮—空位色心体系构建的量子希拉德热机上，展示了量子关联导致的量子优越性。研究成果日前发表于《物理评论快报》。

热机指的是各种利用内能做功的机械，其主要是将燃料的化学能转化为内能后，在转化成机械能的机器动力机械的一类。热机通常是以气体最为工质，利用气体受热膨胀而对外做功，像是蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机或是喷射发动机等。而量子热机，顾名思义，就是以“量子物质”为工作物质对并外做功的热机。由于工作物质的量子属性，量子热机有着很多不一般的性能，并因为这种工作物质，其量子性成为一个备受关注的新的研究热点。

随着量子技术对单分子、单原子操控技术的发展，热力学与量子技术的交叉有望在微观尺度构建出最小的量子热机，并利用量子特性提高热机效率。迄今为止，人们通常关注量子热机中功介质量子系统本身的量子相干性，认为它是效率提升最为关键的量子资源，但研究显示其作用仍存在争议。

量子体系与经典体系的一个重要区别是，对量子态进行测量一般会改变量子态。杜江峰团队与理论合作者任昌亮教授合作，构建了一个“量子版本”的希拉德热机(希拉德热机是由物理学家利奥·希拉德于1926年提出的一个理想实验，是一种利用信息提取功的热机)，他们用一个单电子自旋量子比特作为环境比特，在制备初始状态的时候使环境比特和工作介质比特之间建立量子关联，从而可以不用直接测量工作介质比特，而是通过测量环境比特来获取工作介质比特的状态信息。根据环境比特的状态对工作介质比特施加受控幺正操作，就可以使工作介质比特总是对外做正功。通过这种设计，使得人们能够研究量子关联在量子热机中所起到的作用。

研究人员基于金刚石氮-空位色心体系实验实现了上述量子希拉德热机。该项试验结果表明量子导引的存在对于量子希拉德热机的做功发挥着重要作用：存在量子导引的希拉德热机比不存在量子导引的希拉德热机有更大的做功，并且量子导引不等式破坏越大，量子希拉德热机的功提取不等式破坏就越大，也就更加体现出量子热机优越性。反过来，也可以利用做功的大小来区分量子关联的有无。该项工作以希拉德热机为例，展示了量子热机中量子关联的独特作用，为建立量子信息和量子热力学的桥梁提供了新的思路。

这些年来，量子热力学一直是一项快速发展的交叉学科，与量子信息的交叉研究产生了许多丰富的成果，并且人们还不断研究量子热力学在量子模拟和量子信息领域的潜在应用。在科学家们不断地研发下，量子热机或许真的能够创建在芯片上，利用余热来发电、帮助设备快速散热，说不定还能将粒子纠缠中的能量储存在“量子电池”中。在将来，从量子热力学的角度对量子模拟中的动力学过程进行的理论分析将会是富有洞见的，并且极有可能指导更高效的量子设备的设计和制造，为分析仪器打开更为广大的市场。

(资料来源：中国科学报)

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