新熱力學:量子物理學如何改變規則

2021-02-18 中科院高能所

新熱力學：量子物理學如何改變規則

科學家開始探尋熱力學經典定律的極限

Illustration by Edgar Bąk

只有魯莽的物理學家，才敢於嘗試打破熱力學定律。不過，事實證明，或許真有改變這些定律的辦法。在英國牛津大學的一間實驗室裡，量子物理學家正試圖利用一小塊人造鑽石做到這一點。起初，這顆淹沒在亂七八糟的光學纖維和鏡子中的鑽石几乎不可見。不過，當研究人員打開綠色雷射器時，鑽石中的缺陷被照亮，晶體開始發出紅色的光。

在這束光線中，科學家發現了一種幾年前剛被理論化的效應存在的初步證據：量子推動可使鑽石的功率輸出高於經典熱力學限定的水平。如果結論成立，它們將對量子熱力學研究帶來實實在在的好處。量子熱力學是一個相對較新的領域，旨在原子尺度上揭示控制熱量和能量流動的定律。

打破定律

經典熱力學定律的發展要追溯到19世紀。它們誕生自理解蒸汽機和其他宏觀系統的努力。諸如溫度、熱量等熱力學變量本質上是統計性的，並且根據大型粒子群的平均運動被定義。但回到上世紀80年代，該領域的早期先驅、以色列希伯來大學研究人員Ronnie Kosloff開始思考這種狀況對於小很多的系統來說是否仍能行得通。

Kosloff介紹說，當時這並不是一個流行的研究分支，因為要回答的問題大多是抽象的，同試驗結合的希望也很渺茫。「這個領域發展得非常慢。」Kosloff說，「我孤軍奮戰了好多年。」

約十年前，隨著關於技術微型化限制的問題變得日益緊迫以及實驗技術取得突破，這一切發生了巨大改變。研究人員開展了一系列嘗試，以推斷熱力學和量子理論可能如何被結合起來。然而，Kosloff表示，由此產生的提議帶來了更多困惑，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典熱力學限制，因此可作為無須任何能量輸入便能開展工作的永動機。其他人則提出，熱力學定律應當在極小尺度下保持不被改變。不過，他們同樣感到困惑。「在某些情形下，你可以利用相同的等式推斷出單個原子發動機和汽車引擎的性能。」Kosloff介紹說，「但這同樣看起來令人震驚——可以肯定的是，當物體變得越來越小時，應當會達到某個量子極限。」在經典熱力學中，單個粒子並沒有溫度。因此，德國弗萊堡大學量子物理學家Tobias Schaetz認為，隨著做功的系統及其環境趨近這一極限，想像它們會遵守標準熱力學規則越來越成為一件荒謬的事情。

尋找極限

受到信息是一種物理量並且同熱力學密切相關的想法啟發，研究人員已嘗試重新改寫熱力學定律，從而使其在量子領域也能行得通。

永動機似乎是不可能的。不過，早期的希望是量子熱力學給定的限制和在經典領域相比可能沒有那麼嚴格。「這是我們從量子計算中學習到的一連串思路，即量子效應有助於打破經典界限。」以色列理工學院量子物理學家Raam Uzdin介紹說。

他同時表示，令人失望的是，事實並非如此。最新分析表明，第二定律（支配效能）和第三定律（禁止系統達到絕對零度）的量子版本和傳統「化身」保持類似的限制，甚至在某些情形下保持更加嚴格的限制。

理論也揭示了一些潛在的餘地。在一項探究信息流在充滿粒子的熱室和冷室之間移動的理論分析中，一個包括西班牙巴塞隆納光子科學研究所量子物理學家Arnau Riera和Manabendra Nath Bera在內的團隊發現了一種奇怪的場景：熱室似乎自發地變得更熱，而冷室變得更冷。「起初，這看上去很瘋狂，好像我們打破了熱力學定律。」Bera介紹說。但研究人員很快意識到，他們忽略了量子扭曲，即腔室中的粒子會變得相互糾纏。理論上，產生並打破這些關聯為儲存和釋放能量提供了方法。一旦這種量子資源被列入進來，熱力學定律便逐漸顯現出來。

一些獨立團隊提議利用此類糾纏在「量子電池」中儲存能量。同時，一個來自義大利技術研究所的團隊正嘗試利用由超導量子比特構建的電池，確認上述巴塞隆納團隊的預測。原則上，和傳統電池相比，此類量子電池的充電速度會快很多。「你無法在傳統限制允許的範圍之外提取和儲存能量——這是由第二定律決定的。」 Riera介紹說，「但你或許能令提取和儲存能量的速度加快。」

一些研究人員正在尋找更加簡單的方法操控量子計算應用的比特。加拿大滑鐵盧大學量子物理學家Nayeli Azucena Rodríguez Briones和同事通過操控量子比特對的能級，設計了一種可能增強量子計算操作所需冷卻能力的操作。目前，他們正計劃利用超導量子比特在實驗室中測試這一想法。

邁出重要一步

量子效應可被用於改善熱力學性能的概念也為正在牛津大學開展的鑽石試驗提供了啟發。該試驗由Kosloff、Uzdin和同在希伯來大學工作的Amikam Levy最先提出。由氮原子創建的分散在鑽石中的缺陷可充當發動機——這是一臺在首先同高溫熱源（在該試驗中是雷射器）然後同低溫熱源發生接觸後能執行操作的機器。不過，Kosloff和同事希望，通過利用使一些電子同時在兩種能量狀態下存在的量子效應，此類發動機可在增強模式下運行。通過發射雷射脈衝而非利用連續光束維持這些疊加態，應當能使鑽石晶體更加迅速地釋放微波光子。

最近，這個基於牛津大學的團隊公布了一項初步分析並展示了預言的量子推動存在的證據。雖然論文尚未接受同行評議，但埃克塞特大學量子物理學家Janet Anders表示，如果此項工作站得住腳，那麼「它將是一項突破性的成果」。不過，Anders同時認為，到底是什麼讓這一「壯舉」成為可能目前仍不清楚。「它看上去是一種神奇的燃料，不需要添加太多能量，但能使發動機更快地提取能量。」Anders表示，「理論物理學家仍需要研究它是如何做到這一點的。」

在奧格斯堡大學量子物理學家Peter Hänggi看來，聚焦試驗只是在復興這一領域的徵程中朝著正確方向邁出了重要一步。但對他來說，這些試驗還不夠大膽，不足以給出真正有突破性的見解。同時，還有一個挑戰不容忽視：測量操作以及同環境的互動會對量子系統產生不可逆轉的幹擾。Hänggi介紹說，這些影響很少被針對新試驗的理論建議充分考慮到。「這很難計算，更難在試驗中實現。」

領導開展鑽石試驗的牛津大學實驗室的Ian Walmsley也對該領域的未來持謹慎態度。儘管Walmsley和其他實驗人員近年來一直被量子熱力學研究吸引，但他表示，他們的興趣在很大程度上「帶有機會主義」。他們發現了開展了相對快速和簡單試驗的機會，即藉助出於其他用途已經安裝成功的裝置。例如，鑽石缺陷試驗裝置已被廣泛用於研究量子計算和傳感器應用。Walmsley認為，目前量子熱力學領域正在蓬勃發展。「但它能否繼續活躍下去，或者最終什麼都不是，我們將拭目以待。」（宗華編譯）

來源：科學網  英文原文見閱讀原文

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