據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)12月5日?qǐng)?bào)道，英國(guó)量子物理學(xué)家正在利用人造鉆石做實(shí)驗(yàn)，試圖證明一種幾年前剛被理論化的效應(yīng)：量子推動(dòng)可使鉆石的功率輸出高于經(jīng)典熱力學(xué)限定的水平。
只有魯莽的物理學(xué)家，才敢于嘗試打破熱力學(xué)定律。不過，事實(shí)證明，或許真有改變這些定律的辦法。在英國(guó)牛津大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里，量子物理學(xué)家正試圖利用一小塊人造鉆石做到這一點(diǎn)。起初，這顆淹沒在亂七八糟的光學(xué)纖維和鏡子中的鉆石幾乎不可見。不過，當(dāng)研究人員打開綠色激光器時(shí)，鉆石中的缺陷被照亮，晶體開始發(fā)出紅色的光。
在這束光線中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種幾年前剛被理論化的效應(yīng)存在的初步證據(jù)：量子推動(dòng)可使鉆石的功率輸出高于經(jīng)典熱力學(xué)限定的水平。如果結(jié)論成立，它們將給量子熱力學(xué)研究帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的好處。量子熱力學(xué)是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，旨在原子尺度上揭示控制熱量和能量流動(dòng)的定律。
打破定律
經(jīng)典熱力學(xué)定律的發(fā)展要追溯到19世紀(jì)。它們誕生于理解蒸汽機(jī)和其他宏觀系統(tǒng)所做的努力。諸如溫度、熱量等熱力學(xué)變量本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)性的，并且根據(jù)大型粒子群的平均運(yùn)動(dòng)被定義。但回到上世紀(jì)80年代，該領(lǐng)域的早期先驅(qū)、以色列希伯萊大學(xué)研究人員Ronnie Kosloff開始思考這種狀況對(duì)于小很多的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是否仍行得通。
Kosloff介紹說(shuō)，當(dāng)時(shí)這并不是一個(gè)流行的研究分支，因?yàn)橐卮鸬膯栴}大多是抽象的，同試驗(yàn)結(jié)合的希望也很渺茫�！斑@個(gè)領(lǐng)域發(fā)展得非常慢�！盞osloff說(shuō)，“我孤軍奮戰(zhàn)了好多年�！�
約十年前，隨著關(guān)于技術(shù)微型化限制的問題變得日益緊迫以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)取得突破，這一切發(fā)生了巨大改變。研究人員開展了一系列嘗試，以推斷熱力學(xué)和量子理論如何被結(jié)合起來(lái)。然而，Kosloff表示，由此產(chǎn)生的提議帶來(lái)了更多困惑，而非讓問題變得更加清晰。一些人宣稱，量子元件能在不受損傷的情況下打破經(jīng)典熱力學(xué)限制，因此可作為無(wú)須任何能量輸入便能開展工作的永動(dòng)機(jī)。其他人則提出，熱力學(xué)定律應(yīng)當(dāng)在極小尺度下保持不被改變。不過，他們同樣感到困惑�！霸谀承┣樾蜗拢憧梢岳孟嗤牡仁酵茢喑鰡蝹�(gè)原子發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車引擎的性能�！盞osloff介紹說(shuō)，“但這同樣看起來(lái)令人震驚——可以肯定的是，當(dāng)物體變得越來(lái)越小時(shí)，應(yīng)當(dāng)會(huì)達(dá)到某個(gè)量子極限�！痹诮�(jīng)典熱力學(xué)中，單個(gè)粒子并沒有溫度。因此，德國(guó)弗萊堡大學(xué)量子物理學(xué)家Tobias Schaetz認(rèn)為，隨著做功的系統(tǒng)及其環(huán)境趨近這一極限，想象它們會(huì)遵守標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)規(guī)則越來(lái)越成為一件荒謬的事情。
尋找極限
受到信息是一種物理量并且同熱力學(xué)密切相關(guān)的想法啟發(fā)，研究人員已嘗試重新改寫熱力學(xué)定律，從而使其在量子領(lǐng)域也能行得通。
永動(dòng)機(jī)似乎是不可能的。不過，早期的希望是量子熱力學(xué)給定的限制和在經(jīng)典領(lǐng)域相比可能沒有那么嚴(yán)格�！斑@是我們從量子計(jì)算中學(xué)習(xí)到的一連串思路，即量子效應(yīng)有助于打破經(jīng)典界限�！币陨欣砉W(xué)院量子物理學(xué)家Raam Uzdin介紹說(shuō)。
他同時(shí)表示，令人失望的是，事實(shí)并非如此。最新分析表明，第二定律（支配效能）和第三定律（禁止系統(tǒng)達(dá)到絕對(duì)零度）的量子版本和傳統(tǒng)“化身”保持類似的限制，甚至在某些情形下保持更加嚴(yán)格的限制。
理論也揭示了一些潛在的余地。在一項(xiàng)探究信息流在充滿粒子的熱室和冷室之間移動(dòng)的理論分析中，一個(gè)包括西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所量子物理學(xué)家Arnau Riera和Manabendra Nath Bera在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的場(chǎng)景：熱室似乎自發(fā)地變得更熱，而冷室變得更冷�！捌鸪酰@看上去很瘋狂，好像我們打破了熱力學(xué)定律�！盉era介紹說(shuō)。但研究人員很快意識(shí)到，他們忽略了量子扭曲，即腔室中的粒子會(huì)變得相互糾纏。理論上，產(chǎn)生并打破這些關(guān)聯(lián)為儲(chǔ)存和釋放能量提供了方法。一旦這種量子資源被列入進(jìn)來(lái)，熱力學(xué)定律便逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。
一些獨(dú)立團(tuán)隊(duì)提議利用此類糾纏在“量子電池”中儲(chǔ)存能量。同時(shí)，一個(gè)來(lái)自意大利技術(shù)研究所的團(tuán)隊(duì)正嘗試?yán)糜沙瑢?dǎo)量子比特構(gòu)建的電池，確認(rèn)上述巴塞羅那團(tuán)隊(duì)的預(yù)測(cè)。原則上，和傳統(tǒng)電池相比，此類量子電池的充電速度會(huì)快很多。“你無(wú)法在傳統(tǒng)限制允許的范圍之外提取和儲(chǔ)存能量——這是由第二定律決定的�！� Riera介紹說(shuō)，“但你或許能令提取和儲(chǔ)存能量的速度加快�！�
一些研究人員正在尋找更加簡(jiǎn)單的方法操控量子計(jì)算應(yīng)用的比特。加拿大滑鐵盧大學(xué)量子物理學(xué)家Nayeli Azucena Rodríguez Briones和同事通過操控量子比特對(duì)的能級(jí)，設(shè)計(jì)了一種可能增強(qiáng)量子計(jì)算操作所需冷卻能力的方法。目前，他們正計(jì)劃利用超導(dǎo)量子比特在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這一想法。
邁出重要一步
量子效應(yīng)可被用于改善熱力學(xué)性能的概念也為正在牛津大學(xué)開展的鉆石試驗(yàn)帶來(lái)了啟發(fā)。該試驗(yàn)由Kosloff、Uzdin和同在希伯來(lái)大學(xué)工作的Amikam Levy最先提出。由氮原子創(chuàng)建的分散在鉆石中的缺陷可充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)——這是一臺(tái)在首先同高溫?zé)嵩矗ㄔ谠撛囼?yàn)中是激光器），然后同低溫?zé)嵩窗l(fā)生接觸后能執(zhí)行操作的機(jī)器。不過，Kosloff和同事希望，利用使一些電子同時(shí)在兩種能量狀態(tài)下存在的量子效應(yīng)，此類發(fā)動(dòng)機(jī)可在增強(qiáng)模式下運(yùn)行。通過發(fā)射激光脈沖而非利用連續(xù)光束維持這些疊加態(tài)，應(yīng)當(dāng)能使鉆石晶體更加迅速地釋放微波光子。
最近，這個(gè)基于牛津大學(xué)的團(tuán)隊(duì)公布了一項(xiàng)初步分析并展示了預(yù)言的量子推動(dòng)存在的證據(jù)。雖然論文尚未接受同行評(píng)議，但�？巳卮髮W(xué)量子物理學(xué)家Janet Anders表示，如果此項(xiàng)工作站得住腳，那么“它將是一項(xiàng)突破性的成果”。不過，Anders同時(shí)認(rèn)為，到底是什么讓這一“壯舉”成為可能目前仍不清楚�！八瓷先ナ且环N神奇的燃料，不需要添加太多能量，但能使發(fā)動(dòng)機(jī)更快地提取能量�！盇nders表示，“理論物理學(xué)家仍需要研究它是如何做到這一點(diǎn)的。”
在奧格斯堡大學(xué)量子物理學(xué)家Peter Hanggi看來(lái)，聚焦試驗(yàn)只是在復(fù)興這一領(lǐng)域的征程中朝著正確方向邁出了重要一步。但對(duì)他來(lái)說(shuō)，這些試驗(yàn)還不夠大膽，不足以給出真正有突破性的見解。同時(shí)，還有一個(gè)挑戰(zhàn)不容忽視：測(cè)量操作以及同環(huán)境的互動(dòng)會(huì)對(duì)量子系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的干擾。Hanggi介紹說(shuō)，這些影響很少被針對(duì)新試驗(yàn)的理論建議充分考慮到�！斑@很難計(jì)算，更難在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。”
領(lǐng)導(dǎo)開展鉆石試驗(yàn)的牛津大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Ian Walmsley也對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)持謹(jǐn)慎態(tài)度。盡管Walmsley和其他實(shí)驗(yàn)人員近年來(lái)一直被量子熱力學(xué)研究吸引，但他表示，他們的興趣在很大程度上“帶有機(jī)會(huì)主義”。他們發(fā)現(xiàn)了開展相對(duì)快速和簡(jiǎn)單試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，即借助出于其他用途已經(jīng)安裝成功的裝置。例如，鉆石缺陷試驗(yàn)裝置已被廣泛用于研究量子計(jì)算和傳感器應(yīng)用。Walmsley認(rèn)為，目前量子熱力學(xué)領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展�！暗芊窭^續(xù)活躍下去，或者最終什么都不是，我們將拭目以待。
