经典热力学中不可能的事情，在量子世界真实上演了！科学家利用量子效

姓名：傅高鸣  学号：16140288007

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【嵌牛导读】：在量子尺度，许多经典物理学中的结论都不再适用，我们也可以从中做出新的突破

【嵌牛鼻子】：打破经典热力学定律   量子热力学

【嵌牛提问】：量子热学有望应用在哪些领域？

【嵌牛正文】：

打破经典热力学定律并不是天方夜谭，一些“鲁莽”的物理学家正在为此努力。要知道，经典的热力学定律是基于大量的粒子行为而得出，一旦处于量子尺度时，我们完全有理由质疑这些理论。

于是，在过去的五年时间里，从当初的少数几个理论物理学家到现今的全球范围内几百个理论和实验物理学家，量子热力学蓬勃发展起来，科学家们借此不断探索热力学经典定律的极限。

如今，这个新大陆似乎离我们越来越近。最近，科学家们在此方面取得了一些新进展。上周，牛津大学的研究小组在预印本网站 arxiv.com 上发布了一份初步的分析报告，从实验上验证了量子效应（相干叠加）可以提高钻石输出光子的产生效率，而且，该效率已经超过了经典热力学的范围。

量子物理学家们在英国牛津大学的实验室里进行了这一实验。一开始，钻石被放置在杂乱的光纤和镜子里，几乎不可见。但是当研究者打开一个绿光激光时，钻石中的缺陷就被照亮了，随后钻石开始发出红光。

根据这一光束的变化，研究小组找到初步的证据证明几年前提出的理论：量子效应可以使得钻石的输出功率超过经典热力学所限制的水平。

在量子领域中，人们相信量子热力学定律同基于大多数粒子行为的经典的理论是不同的，许多量子热力学家希望能找到可以适用于实际目的的传统热力学之外的行为，包括改进基于实验室的制冷技术，创造具有增强能力的电池和精炼量子计算技术。如果这一实验结果成立，它们将成为量子热力学研究中的一个大突破。

这样的钻石实验最先是由 Ronnie Kosloff  、Raam Uzdin 以及同样来自希伯来大学的 Amikam Levy 提出。按照他们的设想散布在钻石中的由氮原子造成的缺陷可以作为一个热机，与高温源（此次实验中用的是激光）接触，来实现电子的激发跃迁从而释放出光子能量。通过激光和微波辐射都可以激发出光子，但 Kosloff 和他的同事们更期待的是，这样的“发动机”可以在一种增强模式下来运作，即通过量子效应改善热力学性能。

在这次试验中，牛津大学的研究者受到上述想法的启发，结合脉冲激光与微波辐射方法研究了存在量子效应（相干性）的钻石热机实验，通过脉冲激光而不是连续的光来得到一些电子的叠加态，结合微波辐射可以使晶体能够更快的发射出光子。

研究者利用具有氮空位缺陷的钻石研究了两种类型的量子热机与不存在量子效应的经典热机做比较。最后，他们发现，测量到的输出功率与普通热机的输出功率相比高出四个标准差，从而打破了经典理论的限制。

他们还注意到，当相干性减弱时，输出功率就会减小到经典限制以下，这表明量子效应有利于热机功率的提升，也证明了量子效应在应用方面存有积极性。

图 | A：热机功率与冲程长短（做功时间）关系图。绿色实线对应经典热力学输出功率的上限，红色实线为量子热机的理论预测，红点为实验测量，表明在短相干冲程内，热机功率在量子相干效应下打破经典热力学的束缚。

B ：退相干性作用不断加大后，发现每个冲程内输出的功下降到了经典限制一下，从另一面证明，量子相干效应（叠加态）对于量子热机功率的影响。

另外，在短时间相干冲程内，发现两种热机的功率是相等的，证明了两种热机具有等效性，即单位冲程周期内输出的功与热量是相同的。

图 | 实验研究两种不同类型的量子热机的功率（阴影与点），实线与虚线为两种量子热机的理论拟合，发现在短冲程内，两种热机的功率是等效的。

目前，这篇论文尚未被同行评审，但如果这项工作能站得住脚的话，那么就如英国埃克塞特大学的量子物理学家 Janet Anders 所言：“它将是一个开创性的成果。”不过，她也补充到，现在还不清楚到底是什么原因实现了这一效果。

“它似乎是一种神奇的燃料，并没有增加能量，而是使得发动机能够更快地提取能量。理论物理学家仍需要研究它是如何做到这一点的”，她说。

而德国奥格斯堡大学的量子物理学家 Peter Hänggi 也表示，注重实验是振兴这一领域所需的重要一步，但这些实验还不足以提供真正具有突破性的见解。

还存在的一个挑战就是，这样的量子系统会不可逆转地受到测量与环境相互作用的干扰。而新实验并没有对这些效应做出充分的解释。他说到：“这种影响很难计算，而在实验中就更难被克服。”

就算是牛津实验室的负责人、本次钻石实验的实施者 Ian Walmsley 也对量子热力学领域的未来持谨慎态度。

尽管近年来他和其他的实验者被量子热力学研究所吸引，但他认为，他们之所以有兴趣很大程度上是因为“机会主义”。他们发现机会并借助其他实验早已配备的成熟装置来进行相对快速而简单的实验。例如，像钻石缺陷的设备在量子计算和传感器应用方面就已被广泛的研究。

其实，量子热力学发展的初期就充满了争议，相互矛盾的理论主张和理论预测，使得这一新兴领域的可信度被削弱。Peter Hänggi 曾经表示：“我对该领域颇有微词，因为理论太多而实验却不多。”

不过，如今的量子热力学领域正在逐渐统一起来。其中一个目标就是用实验来揭示经典热力学定律不能完美地预测的量子系统热行为。

量子热力学的研究确实也在不断的深入，不少人仍然期待其带来新的技术变革。在此次的成果之前，量子热力学同样有一些有意思的研究。比如说，巴塞罗那的一支研究团队曾在理论分析热室和冷室之间的信息流动研究中，发现了一种奇怪的情形——热室似乎会自动变热，而冷室则会变得更冷。

研究人员很快意识到这可能是由于粒子会纠缠在一起，而理论上创造和破坏粒子的相关性就是一种储存和释放能量的方式。

根据这一特性，一些独立研究组提出，可以利用这种纠缠把能量储存在“量子电池”中。而位于热那亚的意大利技术研究院的一个小组也正试图用超导量子比特所做的电池来证实巴塞罗那团队的预测。原则上，这种量子电池的充电速度要比传统电池快得多。

量子物理学家 Arnau Riera 说：“由于热力学第二定律，尽管不能获取或存储比传统电池更多的能量，但是你可以加快这一过程。”

另外，为了实现量子计算的应用，一些研究人员也正在寻找更简便的方法来操纵量子。加拿大滑铁卢大学的量子物理学家 Nayeli Azucena Rodríguez Briones 和她的同事们为此设计了一个操作，即通过操纵量子比特对的能级来提升量子计算所需的冷却能力。目前他们正计划在实验室里用超导量子比特来验证这个设想。

正如量子热力学的早期开拓者、来自以色列耶路撒冷希伯来大学的 Ronnie Kosloff 所抒的感慨：“这个领域的发展是如此之快，以至于我几乎可能要跟不上了。”

如今，量子热力学领域充满着“能量”，但是这领域是继续发光发亮，还只是昙花一现，我们仍然需要更多时间来验证。