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首次驗(yàn)證：量子引擎比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更高效！

2019-06-12 08:35 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

一個(gè)國(guó)際研究小組首次測(cè)量了量子助推引擎的量子功率增長(zhǎng)，在發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)的論文中，該小組概述了他們?cè)诹孔又埔嫔系膶?shí)驗(yàn)，以及他們的研究成果。

物理學(xué)家多年來(lái)一直在研究量子熱機(jī)——它們的工作原理與經(jīng)典熱機(jī)相似，但“工作流體”(其行為方式令人想起蒸汽機(jī)中的蒸汽)可以是相干疊加的。這讓該領(lǐng)域的許多人懷疑，量子引擎是否真的能比我們每天看到的經(jīng)典引擎表現(xiàn)得更好。

博科園-科學(xué)科普：就在四年前，耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的一個(gè)研究小組聲稱已經(jīng)找到了答案，報(bào)告了一個(gè)理論，該理論認(rèn)為量子引擎確實(shí)可能更有效。在這項(xiàng)新研究中，研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，該理論是正確的。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員從鉆石中心的氮空位(NV)開始構(gòu)建了一個(gè)量子熱機(jī)——兩個(gè)最低能級(jí)代表一個(gè)量子位元的兩個(gè)能級(jí)，在這種情況下，作為工作流體。兩種熱液的作用是由較高能級(jí)所起的作用。研究人員將他們NV置于磁場(chǎng)中，這導(dǎo)致了能量水平的反轉(zhuǎn)，代表了發(fā)動(dòng)機(jī)的初始狀態(tài)。

工作沖程是由向NV發(fā)射微波脈沖引起，這迫使量子位元以可調(diào)的角度旋轉(zhuǎn)。量子比特旋轉(zhuǎn)減少了團(tuán)隊(duì)所提取的NV中心能量。然后研究人員向NV發(fā)射了一束綠色激光，迫使量子位元水平與熱浴耦合，使中心恢復(fù)到初始狀態(tài)。研究人員重復(fù)實(shí)驗(yàn)10萬(wàn)次，改變周期。研究報(bào)告顯示，對(duì)于小量子位旋轉(zhuǎn)角度，功率輸出比沒(méi)有相干的同類型發(fā)動(dòng)機(jī)要高得多，這表明他們的發(fā)動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高。

示意圖顯示的周期量子引擎實(shí)現(xiàn)了一個(gè)氮空位(NV)中心。每個(gè)圖像頂部球體(橙色)表示每個(gè)周期開始時(shí)NV中心的狀態(tài)，根據(jù)初始狀態(tài)是否是量子相干，它要么是經(jīng)典的(左側(cè))，要么是量子的(右側(cè))。圖片：APS/Alan Stonebraker

量子熱機(jī)基本特性之一是工作流體內(nèi)部狀態(tài)具有相干疊加的能力，在小發(fā)動(dòng)機(jī)作用的情況下，這種能力可以使量子熱機(jī)產(chǎn)生比任何等效經(jīng)典熱機(jī)更多的功率。在相同狀態(tài)下，這種內(nèi)部一致性的存在會(huì)導(dǎo)致不同類型量子熱機(jī)在熱力學(xué)上等價(jià)。在這里，研究人員使用金剛石中的氮空位中心來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種類型的量子熱機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察了這兩種效果。