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量子热机再突破!我国实现国际首个开放量子热机实验

来源:化工仪器网 羊舌木
2022/11/24 9:24:59
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导读:近年来,随着量子信息学、量子热力学以及量子光学等学科理论的快速发展,人们认识物理现象已经更多地从宏观层面转向了微观层面,经典热力学中热机的概念也被拓展到了量子力学领域。
  热机在人类社会发展进程和生活中发挥着重要作用。这是一种利用内能做功的机械,能够将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械。热机通常以气体作为工质,利用气体受热膨胀对外做功。其热能的来源主要有燃料燃烧产生的热能、原子能、太阳能和地热等。如何提高热机效率一直是热力学的核心科学问题。
 
  近年来,随着量子信息学、量子热力学以及量子光学等学科理论的快速发展,人们认识物理现象已经更多地从宏观层面转向了微观层面,经典热力学中热机的概念也被拓展到了量子力学领域。量子热机是人们探索量子系统热力学特性的重要手段,热力学与量子技术的交叉有望在微观尺度构建出最小的量子热机,并且利用量子特性提高热机效率。
 
  这种只有微纳尺度的量子热机,不仅有望在效率上超越传统热机,还是探索量子体系演化过程中能量-信息转换和功-热转换的理想实验平台。不过,量子热机作为一个开放体系,热机的吸热和做功都是在工作物质与外部环境的相互作用过程中完成,因此需要考虑针对非厄米量子系统的调控。
 
  中科院精密测量科学与技术创新研究院利用超冷离子实验平台,设计并实现了国际上第一个非厄米量子热机实验。研究人员发现,如果想提高量子热机效率,应该保持等容加热冲程中的布居振荡,抑制等容冷却冲程中的布居振荡,即前者处于严格相,后者处于破缺相。
 
  该热机的工作物质是一个开放的量子体系,实验观察得出“等容加热冲程和等容冷却冲程分别处于严格相和破缺相的量子奥拓热机具有最高的热机效率”的新结论。此外,该研究的结论和所展现的技术具有一定的普适性,有望应用于能源、生物、医药和工程等领域,并用于开发分子马达、纳米机器人和微型智能装置等。
 
  量子热机除可以被用于物理学、信息学以及生物学等相关学科方面的理论研究,它还有着相当广阔的应用前景,包括医疗、生物制药以及科学实验等。在量子热力学逐渐发展完善的今天,量子热机将必然是探索和解决量子热力学问题以及相关学科问题的十分重要的手段。
 
  (资料参考来源:中国科学报)
 
  原标题:量子热机再突破!我国实现国际首个开放量子热机实验

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