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熱機在人類社會發(fā)展進程和生活中發(fā)揮著重要作用，現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xué)的核心科學(xué)問題。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士、王亞教授等在金剛石氮—空位色心體系構(gòu)建的量子希拉德熱機上，展示了量子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的量子優(yōu)越性。研究成果日前發(fā)表于《物理評論快報》。
熱機指的是各種利用內(nèi)能做功的機械，其主要是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能后，在轉(zhuǎn)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(zhì)，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(nèi)燃機或是噴射發(fā)動機等。而量子熱機，顧名思義，就是以“量子物質(zhì)”為工作物質(zhì)對并外做功的熱機。由于工作物質(zhì)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(zhì)，其量子性成為一個備受關(guān)注的新的研究熱點。
隨著量子技術(shù)對單分子、單原子操控技術(shù)的發(fā)展，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，并利用量子特性提高熱機效率。迄今為止，人們通常關(guān)注量子熱機中功介質(zhì)量子系統(tǒng)本身的量子相干性，認為它是效率提升最為關(guān)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(jīng)典體系的一個重要區(qū)別是，對量子態(tài)進行測量一般會改變量子態(tài)。杜江峰團隊與理論合作者任昌亮教授合作，構(gòu)建了一個“量子版本”的希拉德熱機(希拉德熱機是由物理學(xué)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(huán)境比特，在制備初始狀態(tài)的時候使環(huán)境比特和工作介質(zhì)比特之間建立量子關(guān)聯(lián)，從而可以不用直接測量工作介質(zhì)比特，而是通過測量環(huán)境比特來獲取工作介質(zhì)比特的狀態(tài)信息。根據(jù)環(huán)境比特的狀態(tài)對工作介質(zhì)比特施加受控幺正操作，就可以使工作介質(zhì)比特總是對外做正功。通過這種設(shè)計，使得人們能夠研究量子關(guān)聯(lián)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(xiàn)了上述量子希拉德熱機。該項試驗結(jié)果表明量子導(dǎo)引的存在對于量子希拉德熱機的做功發(fā)揮著重要作用：存在量子導(dǎo)引的希拉德熱機比不存在量子導(dǎo)引的希拉德熱機有更大的做功，并且量子導(dǎo)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(xiàn)出量子熱機優(yōu)越性。反過來，也可以利用做功的大小來區(qū)分量子關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)的獨特作用，為建立量子信息和量子熱力學(xué)的橋梁提供了新的思路。
這些年來，量子熱力學(xué)一直是一項快速發(fā)展的交叉學(xué)科，與量子信息的交叉研究產(chǎn)生了許多豐富的成果，并且人們還不斷研究量子熱力學(xué)在量子模擬和量子信息領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。在科學(xué)家們不斷地研發(fā)下，量子熱機或許真的能夠創(chuàng)建在芯片上，利用余熱來發(fā)電、幫助設(shè)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(xué)的角度對量子模擬中的動力學(xué)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(dǎo)更高效的量子設(shè)備的設(shè)計和制造，為分析儀器打開更為廣大的市場。
原標題:突破熱機效率的新希望！新研究展示量子熱機中量子關(guān)聯(lián)的獨特作用
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