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經典熱力學中不可能的事情,在量子世界真實上演了!科學家利用量子效應成功提高鉆石熱機效率

2017-12-09  quantum555

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打破經典熱力學定律并不是天方夜譚,一些“魯莽”的物理學家正在為此努力。要知道,經典的熱力學定律是基于大量的粒子行為而得出,一旦處于量子尺度時,我們完全有理由質疑這些理論。


于是,在過去的五年時間里,從當初的少數幾個理論物理學家到現今的全球范圍內幾百個理論和實驗物理學家,量子熱力學蓬勃發展起來,科學家們借此不斷探索熱力學經典定律的極限。

 

如今,這個新大陸似乎離我們越來越近。最近,科學家們在此方面取得了一些新進展。上周,牛津大學的研究小組在預印本網站 arxiv.com 上發布了一份初步的分析報告,從實驗上驗證了量子效應(相干疊加)可以提高鉆石輸出光子的產生效率,而且,該效率已經超過了經典熱力學的范圍。



量子物理學家們在英國牛津大學的實驗室里進行了這一實驗。一開始,鉆石被放置在雜亂的光纖和鏡子里,幾乎不可見。但是當研究者打開一個綠光激光時,鉆石中的缺陷就被照亮了,隨后鉆石開始發出紅光。


根據這一光束的變化,研究小組找到初步的證據證明幾年前提出的理論:量子效應可以使得鉆石的輸出功率超過經典熱力學所限制的水平。


在量子領域中,人們相信量子熱力學定律同基于大多數粒子行為的經典的理論是不同的,許多量子熱力學家希望能找到可以適用于實際目的的傳統熱力學之外的行為,包括改進基于實驗室的制冷技術,創造具有增強能力的電池和精煉量子計算技術。如果這一實驗結果成立,它們將成為量子熱力學研究中的一個大突破。


這樣的鉆石實驗最先是由 Ronnie Kosloff  、Raam Uzdin 以及同樣來自希伯來大學的 Amikam Levy 提出。按照他們的設想散布在鉆石中的由氮原子造成的缺陷可以作為一個熱機,與高溫源(此次實驗中用的是激光)接觸,來實現電子的激發躍遷從而釋放出光子能量。通過激光和微波輻射都可以激發出光子,但 Kosloff 和他的同事們更期待的是,這樣的“發動機”可以在一種增強模式下來運作,即通過量子效應改善熱力學性能。


在這次試驗中,牛津大學的研究者受到上述想法的啟發,結合脈沖激光與微波輻射方法研究了存在量子效應(相干性)的鉆石熱機實驗,通過脈沖激光而不是連續的光來得到一些電子的疊加態,結合微波輻射可以使晶體能夠更快的發射出光子。



研究者利用具有氮空位缺陷的鉆石研究了兩種類型的量子熱機與不存在量子效應的經典熱機做比較。最后,他們發現,測量到的輸出功率與普通熱機的輸出功率相比高出四個標準差,從而打破了經典理論的限制。


他們還注意到,當相干性減弱時,輸出功率就會減小到經典限制以下,這表明量子效應有利于熱機功率的提升,也證明了量子效應在應用方面存有積極性。


圖 | A:熱機功率與沖程長短(做功時間)關系圖。綠色實線對應經典熱力學輸出功率的上限,紅色實線為量子熱機的理論預測,紅點為實驗測量,表明在短相干沖程內,熱機功率在量子相干效應下打破經典熱力學的束縛。

B :退相干性作用不斷加大后,發現每個沖程內輸出的功下降到了經典限制一下,從另一面證明,量子相干效應(疊加態)對于量子熱機功率的影響。


另外,在短時間相干沖程內,發現兩種熱機的功率是相等的,證明了兩種熱機具有等效性,即單位沖程周期內輸出的功與熱量是相同的。


圖 | 實驗研究兩種不同類型的量子熱機的功率(陰影與點),實線與虛線為兩種量子熱機的理論擬合,發現在短沖程內,兩種熱機的功率是等效的。


目前,這篇論文尚未被同行評審,但如果這項工作能站得住腳的話,那么就如英國??巳卮髮W的量子物理學家 Janet Anders 所言:“它將是一個開創性的成果?!辈贿^,她也補充到,現在還不清楚到底是什么原因實現了這一效果。


它似乎是一種神奇的燃料,并沒有增加能量,而是使得發動機能夠更快地提取能量。理論物理學家仍需要研究它是如何做到這一點的”,她說。


而德國奧格斯堡大學的量子物理學家 Peter H?nggi 也表示,注重實驗是振興這一領域所需的重要一步,但這些實驗還不足以提供真正具有突破性的見解。


還存在的一個挑戰就是,這樣的量子系統會不可逆轉地受到測量與環境相互作用的干擾。而新實驗并沒有對這些效應做出充分的解釋。他說到:“這種影響很難計算,而在實驗中就更難被克服。


圖丨Ian Walmsley


就算是牛津實驗室的負責人、本次鉆石實驗的實施者 Ian Walmsley 也對量子熱力學領域的未來持謹慎態度。


盡管近年來他和其他的實驗者被量子熱力學研究所吸引,但他認為,他們之所以有興趣很大程度上是因為“機會主義”。他們發現機會并借助其他實驗早已配備的成熟裝置來進行相對快速而簡單的實驗。例如,像鉆石缺陷的設備在量子計算和傳感器應用方面就已被廣泛的研究。


其實,量子熱力學發展的初期就充滿了爭議,相互矛盾的理論主張和理論預測,使得這一新興領域的可信度被削弱。Peter H?nggi 曾經表示:“我對該領域頗有微詞,因為理論太多而實驗卻不多?!?/span>


不過,如今的量子熱力學領域正在逐漸統一起來。其中一個目標就是用實驗來揭示經典熱力學定律不能完美地預測的量子系統熱行為。


量子熱力學的研究確實也在不斷的深入,不少人仍然期待其帶來新的技術變革。在此次的成果之前,量子熱力學同樣有一些有意思的研究。比如說,巴塞羅那的一支研究團隊曾在理論分析熱室和冷室之間的信息流動研究中,發現了一種奇怪的情形——熱室似乎會自動變熱,而冷室則會變得更冷。


研究人員很快意識到這可能是由于粒子會糾纏在一起,而理論上創造和破壞粒子的相關性就是一種儲存和釋放能量的方式。



根據這一特性,一些獨立研究組提出,可以利用這種糾纏把能量儲存在“量子電池”中。而位于熱那亞的意大利技術研究院的一個小組也正試圖用超導量子比特所做的電池來證實巴塞羅那團隊的預測。原則上,這種量子電池的充電速度要比傳統電池快得多。


量子物理學家 Arnau Riera 說:“由于熱力學第二定律,盡管不能獲取或存儲比傳統電池更多的能量,但是你可以加快這一過程?!?/span>


另外,為了實現量子計算的應用,一些研究人員也正在尋找更簡便的方法來操縱量子。加拿大滑鐵盧大學的量子物理學家 Nayeli Azucena Rodríguez Briones 和她的同事們為此設計了一個操作,即通過操縱量子比特對的能級來提升量子計算所需的冷卻能力。目前他們正計劃在實驗室里用超導量子比特來驗證這個設想。


正如量子熱力學的早期開拓者、來自以色列耶路撒冷希伯來大學的 Ronnie Kosloff 所抒的感慨:“這個領域的發展是如此之快,以至于我幾乎可能要跟不上了?!?/span>


如今,量子熱力學領域充滿著“能量”,但是這領域是繼續發光發亮,還只是曇花一現,我們仍然需要更多時間來驗證。


-End-


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