美科學家設計出零摩擦量子發動機可達最大極限效率

　　在真實的物理過程中，只要做功總會有能量損失，這部分能量損失是由于摩擦造成，特別是在機械運動中。但在一項最新研究中，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和英國皇后大學的物理學家設計出一種以零摩擦運轉的發動機，利用某種量子捷徑的優勢來做功。設計以最大極限功率運轉的最大效率發動機是工程領域的一個重要目標，本研究標志著人們向這一目標邁進了一大步。相關論文發表在最近出版的《自然·科學報告》雜志上。

　　量子波動在宏觀層面微不足道，但在微觀層面卻成為主導。熱力學定律成功描述了許多系統中功和熱的概念，但要解釋微觀領域的大量現象，需要一個全新的熱力學定律。“量子版”的熱力學是什么樣子尚不得而知，也沒有描述量子設備可能有哪些優勢，人們關心的一個問題是，它能否建立一個可逆的量子發動機，即發動機的運轉是可逆的，是一個沒有能量損耗的“絕熱”過程。

　　據物理學家組織網9月16日報道，在論文中，研究人員提出了一個量子發動機“超-絕熱”的例子：發動機利用量子捷徑實現一種通常只在慢絕熱過程中才能實現的狀態。要實現這種狀態需要完全無摩擦，也就是說，發動機達到了它的最大極限效率，同時還能產生一些功率。

　　“量子捷徑讓我們能通過一種非常慢的準靜態周期，來‘模仿’所要實現的狀態，同時還能在有限時間里完成改變。”論文合著者、英國皇后大學莫洛·佩特諾斯特羅說，“比如一個活塞循環中的壓縮或擴張，如果時間有限而速度不為零，摩擦可能會影響它的改變。但如果用一種捷徑來絕熱，就會消除類摩擦效應，完成這種循環就和準靜態馬達類似。”

　　“這項研究是把量子控制與熱力學合并的第一步。”佩特諾斯特羅說，“我們證明了，在量子發動機循環中，利用捷徑達到絕熱性，就能設計一個以有限功率和零摩擦運轉的熱力學循環。而以往只用于其他目的的技術手段可以用在熱力學任務中，設計高效循環。”

　　佩特諾斯特羅認為，真正的挑戰是把這種技術用于相互作用的量子多體系統，利用這種量子控制可以“駕馭”量子系統本身的錯綜復雜性和豐富的現象，從而帶來巨大利益。