量子熱機再突破！我國實現(xiàn)國際首個開放量子熱機實驗

2022-11-24 09:24:59來源：化工儀器網(wǎng) 羊舌木閱讀量：140 評論

導(dǎo)讀：近年來，隨著量子信息學(xué)、量子熱力學(xué)以及量子光學(xué)等學(xué)科理論的快速發(fā)展，人們認識物理現(xiàn)象已經(jīng)更多地從宏觀層面轉(zhuǎn)向了微觀層面，經(jīng)典熱力學(xué)中熱機的概念也被拓展到了量子力學(xué)領(lǐng)域。

　　熱機在人類社會發(fā)展進程和生活中發(fā)揮著重要作用。這是一種利用內(nèi)能做功的機械，能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能再轉(zhuǎn)化成機械能的機器動力機械。熱機通常以氣體作為工質(zhì)，利用氣體受熱膨脹對外做功。其熱能的來源主要有燃料燃燒產(chǎn)生的熱能、原子能、太陽能和地?zé)岬?。如何提高熱機效率一直是熱力學(xué)的核心科學(xué)問題。

　　近年來，隨著量子信息學(xué)、量子熱力學(xué)以及量子光學(xué)等學(xué)科理論的快速發(fā)展，人們認識物理現(xiàn)象已經(jīng)更多地從宏觀層面轉(zhuǎn)向了微觀層面，經(jīng)典熱力學(xué)中熱機的概念也被拓展到了量子力學(xué)領(lǐng)域。量子熱機是人們探索量子系統(tǒng)熱力學(xué)特性的重要手段，熱力學(xué)與量子技術(shù)的交叉有望在微觀尺度構(gòu)建出最小的量子熱機，并且利用量子特性提高熱機效率。

　　這種只有微納尺度的量子熱機，不僅有望在效率上超越傳統(tǒng)熱機，還是探索量子體系演化過程中能量-信息轉(zhuǎn)換和功-熱轉(zhuǎn)換的理想實驗平臺。不過，量子熱機作為一個開放體系，熱機的吸熱和做功都是在工作物質(zhì)與外部環(huán)境的相互作用過程中完成，因此需要考慮針對非厄米量子系統(tǒng)的調(diào)控。

　　中科院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院利用超冷離子實驗平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了國際上第一個非厄米量子熱機實驗。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果想提高量子熱機效率，應(yīng)該保持等容加熱沖程中的布居振蕩，抑制等容冷卻沖程中的布居振蕩，即前者處于嚴格相，后者處于破缺相。

　　該熱機的工作物質(zhì)是一個開放的量子體系，實驗觀察得出“等容加熱沖程和等容冷卻沖程分別處于嚴格相和破缺相的量子奧拓?zé)釞C具有最高的熱機效率”的新結(jié)論。此外，該研究的結(jié)論和所展現(xiàn)的技術(shù)具有一定的普適性，有望應(yīng)用于能源、生物、醫(yī)藥和工程等領(lǐng)域，并用于開發(fā)分子馬達、納米機器人和微型智能裝置等。

　　量子熱機除可以被用于物理學(xué)、信息學(xué)以及生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科方面的理論研究，它還有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景，包括醫(yī)療、生物制藥以及科學(xué)實驗等。在量子熱力學(xué)逐漸發(fā)展完善的今天，量子熱機將必然是探索和解決量子熱力學(xué)問題以及相關(guān)學(xué)科問題的十分重要的手段。

　　(資料參考來源：中國科學(xué)報)

　　原標(biāo)題：量子熱機再突破！我國實現(xiàn)國際首個開放量子熱機實驗

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