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突破熱機效率的新希望！新研究展示量子熱機中量子關聯的獨特作用
2022年03月16日 13:22:34
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：6075
近年來，人們一直在為提高熱機的效率而努力，在摸索中對蒸汽機等熱機的結構不斷進行著各種嘗試與改進，盡量減少熱機的漏氣、散熱、摩擦等因素的影響，但熱機效率的提高依然很微弱，如何提高熱機效率一直是熱力學的核心科學問題。
【化工儀器網 項目成果】熱機在人類社會發展進程和生活中發揮著重要作用，現代化的交通運輸工具都是靠其提供動力，包括在分析儀器中也有著不可忽略的作用，同時也是一些儀器中的重要配件。近年來，人們一直在為提高熱機的效率而努力，在摸索中對蒸汽機等熱機的結構不斷進行著各種嘗試與改進，盡量減少熱機的漏氣、散熱、摩擦等因素的影響，但熱機效率的提高依然很微弱，如何提高熱機效率一直是熱力學的核心科學問題。
近日，中國科學技術大學杜江峰院士、王亞教授等在金剛石氮—空位色心體系構建的量子希拉德熱機上，展示了量子關聯導致的量子優越性。研究成果日前發表于《物理評論快報》。
熱機指的是各種利用內能做功的機械，其主要是將燃料的化學能轉化為內能后，在轉化成機械能的機器動力機械的一類。熱機通常是以氣體最為工質，利用氣體受熱膨脹而對外做功，像是蒸汽機、汽輪機、燃氣輪機、內燃機或是噴射發動機等。而量子熱機，顧名思義，就是以“量子物質”為工作物質對并外做功的熱機。由于工作物質的量子屬性，量子熱機有著很多不一般的性能，并因為這種工作物質，其量子性成為一個備受關注的新的研究熱點。
隨著量子技術對單分子、單原子操控技術的發展，熱力學與量子技術的交叉有望在微觀尺度構建出最小的量子熱機，并利用量子特性提高熱機效率。迄今為止，人們通常關注量子熱機中功介質量子系統本身的量子相干性，認為它是效率提升最為關鍵的量子資源，但研究顯示其作用仍存在爭議。
量子體系與經典體系的一個重要區別是，對量子態進行測量一般會改變量子態。杜江峰團隊與理論合作者任昌亮教授合作，構建了一個“量子版本”的希拉德熱機(希拉德熱機是由物理學家利奧·希拉德于1926年提出的一個理想實驗，是一種利用信息提取功的熱機)，他們用一個單電子自旋量子比特作為環境比特，在制備初始狀態的時候使環境比特和工作介質比特之間建立量子關聯，從而可以不用直接測量工作介質比特，而是通過測量環境比特來獲取工作介質比特的狀態信息。根據環境比特的狀態對工作介質比特施加受控幺正操作，就可以使工作介質比特總是對外做正功。通過這種設計，使得人們能夠研究量子關聯在量子熱機中所起到的作用。
研究人員基于金剛石氮-空位色心體系實驗實現了上述量子希拉德熱機。該項試驗結果表明量子導引的存在對于量子希拉德熱機的做功發揮著重要作用：存在量子導引的希拉德熱機比不存在量子導引的希拉德熱機有更大的做功，并且量子導引不等式破壞越大，量子希拉德熱機的功提取不等式破壞就越大，也就更加體現出量子熱機優越性。反過來，也可以利用做功的大小來區分量子關聯的有無。該項工作以希拉德熱機為例，展示了量子熱機中量子關聯的獨特作用，為建立量子信息和量子熱力學的橋梁提供了新的思路。
這些年來，量子熱力學一直是一項快速發展的交叉學科，與量子信息的交叉研究產生了許多豐富的成果，并且人們還不斷研究量子熱力學在量子模擬和量子信息領域的潛在應用。在科學家們不斷地研發下，量子熱機或許真的能夠創建在芯片上，利用余熱來發電、幫助設備快速散熱，說不定還能將粒子糾纏中的能量儲存在“量子電池”中。在將來，從量子熱力學的角度對量子模擬中的動力學過程進行的理論分析將會是富有洞見的，并且極有可能指導更高效的量子設備的設計和制造，為分析儀器打開更為廣大的市場。
(資料來源：中國科學報)
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