量子漲落定理：開啟未來能源的“秘鑰”

想象一下，如果手機在不充電的情況下，僅靠周圍環境中微小的能量波動就能永遠保持滿電狀態，是不是很酷？近日，蘭州大學教授安鈞鴻與吳威團隊在量子熱力學領域取得的重要進展，有望讓這種科幻電影中的情節變為現實。

他們的研究成果不僅挑戰了傳統認知的邊界，更給量子熱機的未來設計帶來無限可能。近日，相關研究成果發表于《物理評論快報》。

量子熱力學：能源科學新引擎

“量子熱力學為新的產業革命提供了原始創新驅動力，是量子科技的重要組成部分。”安鈞鴻告訴《中國科學報》。

近20年來，隨著量子科技的蓬勃發展，物理學家將19世紀根據實驗觀測與規律總結建立起來的熱力學定律，推廣到有限自由度的微觀小系統，提出了一系列問題。

傳統熱力學定律在量子力學與遠離熱平衡情況下是否還成立？在傳統熱力學中，溫度、熵、熱與功等概念在量子力學框架下是否需要修改與拓展？

這些問題促使物理學家重新審視并重構熱力學理論框架。量子熱力學不僅關注微觀系統的能量轉換與熱交換，還試圖通過量子力學原理揭示能量、信息與熵之間的深層次關系。

“在傳統熱力學框架內，熱機的能量轉換效率受制于卡諾極限。這一極限由熱力學第二定律決定，無法通過經典調控手段來突破，制約了當今社會各類熱機的能源轉換效率，如空調、冰箱、汽車等。”安鈞鴻說。

但在量子熱力學框架內，利用量子壓縮或量子相干性等量子資源，人們可以突破卡諾極限，設計出性能優于經典熱機的量子熱機，從而變革性地提高能量轉換與使用效率。

因此，在安鈞鴻看來，隨著人類對能源需求的日益增長，量子熱力學對能源科學的重要性不言而喻。

能量革命：解鎖無線充電的量子電池

安鈞鴻團隊長期在量子科技領域從事基礎研究，不斷追尋顛覆傳統認知的量子效應，一直是他們的目標。

在前期工作中，安鈞鴻團隊將新奇的量子效應與量子調控手段運用到磁力計、光學陀螺儀和低溫溫度計等精密測量方案，以及作為雷達基礎的高分辨率量子探照的研究中，并取得了一系列重要成果。

“在量子計算、通信與精密測量的熱潮中，我們意識到，量子效應不僅能夠重塑信息的存儲、運算與提取，更有可能在能量領域引發一場革命。”安鈞鴻說。

2024年初，安鈞鴻團隊在量子熱力學方面取得了一項重要研究成果——提出了無線充電的抗老化量子電池方案，解決了傳統量子電池普遍存在的充電低效與能量損耗問題。該研究受到國內外科技媒體的廣泛關注，《自然》還將其作為“研究亮點”進行了報道。

安鈞鴻表示，與依賴鋰等材料儲存電荷的傳統化學電池不同，量子電池利用微觀系統的量子能級存儲能量，既不會閃爆，也不會污染環境。不僅如此，得益于量子糾纏，量子電池的充電速度也遠超傳統化學電池。“審慎樂觀地預測，未來一旦研發出量子電池，光伏的光電轉換效率將顯著提高。”

然而，這僅僅是個開始。

在量子電池無線充電的成功背后，安鈞鴻團隊發現了更加深邃的科學奧秘——量子電池與充電器之間的能量傳輸表現出的豐富的非平衡特性具有普適性。

“這會深刻影響包括功與熱在內的能量交換，從而改寫傳統量子熱力學中建立在系統-環境弱耦合基礎上的量子熱的漲落定理。因此，在這一研究工作的啟發下，我們順勢進入量子熱力學漲落定理這一研究領域，并取得了重要進展。”安鈞鴻說。

廣義量子漲落定理：突破傳統框架

在量子熱力學中，遠離平衡態的能量、信息及熵等因熱漲落、量子漲落與非平衡弛豫影響而隨機變化，需要通過概率分布描述。研究發現，這些非平衡態熱力學量的統計規律與平衡態物理量間存在恒等式，即量子漲落定理，它橋接了非平衡態的隨機性與平衡態的確定性，是量子熱力學發展的重要里程碑。

通過大量計算與分析，安鈞鴻與吳威團隊認識到，傳統量子熱的漲落定理失效的根源在于系統-環境強耦合破環了系統非平衡過程的細致平衡條件。細致平衡條件指在趨向平衡的過程中，系統從一個微觀狀態演化到另一個微觀狀態的概率與其逆向演化的比值由環境的溫度唯一決定的物理性質。

接下來，他們證明了傳統漲落定理在量子強耦合下不再適用，并明確了理論邊界。

然而，真正的挑戰在于如何修補之前的漏洞，構建一個在所有參數空間內都能穩固站立的廣義漲落定理。

“這要求我們不僅要理解量子系統與外部環境間復雜而微妙的相互作用，還要具備創新思維，以超越傳統框架的方式重構熱力學的基本原理。”安鈞鴻說。

經過無數次討論與嘗試，該團隊最終提出一種創新性解決方案——通過引入“有效溫度”概念，巧妙恢復了量子系統在非平衡態下的細致平衡條件。安鈞鴻介紹說：“這一概念的引入，如同在量子熱力學的復雜迷宮點亮了一盞明燈，使我們能夠清晰看到通往廣義漲落定理的道路。”

這一研究方法提供了一個探索強耦合量子系統中能量交換規律的標準研究范式，既可以推廣到其他系統，也可以用于探索其他熱力學量的量子漲落定理。研究提出的廣義量子漲落定理提供了一項量子熱的全面研究，深化了量子熱力學的研究范疇，重塑了人們對強耦合系統中量子熱漲落特性的理解。

這也為該團隊下一步探索非平衡量子熱機提供了一個非常有效的調控機制——通過優化耦合強度，提升熱交換效率。

在熱機循環中，傳統熱力學限制了能量傳輸的調控，而廣義量子漲落定理揭示了其獨特的非平衡能量交換特性，能夠精準控制能量傳輸，有望超越傳統熱機效率。這一發現也為非平衡熱力學定律的建立提供了新思路。

在傳統熱力學框架內，吸、放熱過程的能量傳輸取決于兩個熱庫的溫差，是不可調控的。“在量子熱力學框架下，我們通過廣義量子漲落定理，能精細調控這些非平衡特性，實現對能量傳輸的精準控制，突破傳統熱機的性能限制。此定理不僅為構建高效非平衡量子熱機提供了有效的調控策略，還有望引領量子能源技術的潛在革新。”安鈞鴻說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.050401