- 研究團隊建造了一種量子熱機，同時產生機械功和製冷效果。
- 量子系統顯示出難以用經典物理學解釋的行為。
- 研究人員的預測顯示量子系統能從較冷的熱庫中吸收熱量。
- 量子熱機的原理為未來量子技術的應用開啟了大門。
一項跨國研究團隊觀察到一種異常的熱效應，使量子系統能夠從冷熱庫中吸收熱量。該團隊隨後利用這一行為建造了一種量子熱機，能夠同時產生機械功和製冷。根據經典物理學，熱量自然會從高温系統流向低温系統。這一原則已被用於開發從發電廠到家庭雪櫃的一系列技術，並且我們都知道，直到兩個系統之間達成平衡後，這一原則才會運作。因此，當曲阜師範大學、香港大學和巴勒莫大學的研究人員觀察到由於量子效應而產生的異常熱行為時，他們立刻想到可能的應用。
最終，這一研究成果導致了一種同時運行兩項工作的熱機。
量子系統的異常熱行為
不確定因果順序量子系統通常顯示出難以用經典物理學解釋的行為。「不確定因果順序（ICO）允許兩個事件以超位置的方式發生」，曲阜師範大學的量子力學研究員鄭小滿解釋道。「早期的研究顯示，即使在相同的通道温度下，系統也不必平衡到該温度。」鄭小滿補充説。這一重大偏離經典熱力學的現象使研究人員質疑，如果系統和通道的起始温度不同，或存在兩個熱庫時，熱流會發生什麼變化。在他們的理論研究中，研究人員預測量子系統可以從較冷的熱庫中吸收熱量。
他們隨後建造了一個新的量子奧託引擎，實驗證實了他們的預測。「在量子世界中，兩個熱過程可以以不同順序的超位置形式發生。這產生了一種異常的熱流，使引擎能夠以經典方式無法實現的方式從較冷的環境中提取能量。」鄭小滿進一步解釋道。
量子熱機的應用前景
接下來會發生什麼？通過將理論概念轉化為物理現實，研究人員證明瞭這些效應不僅僅是無限因果順序的標誌，還可以用明確的因果結構重現。這很可能有助於設計其他能夠以不同方式操控熱量和能量的量子技術。研究人員建造的量子熱機僅僅是原理的證明，為從量子處理器到傳感器等一系列設備的應用開啟了大門。「未來研究的一個領域是超越理想化的熱力學循環，探討所有操作在有限時間內發生的更現實的實現方式。」
巴勒莫大學的開放量子系統研究員羅薩裏奧·洛·法蘭科表示，他也參與了這項工作。「在實際設備中，速度至關重要，因為它不僅決定效率，還決定功率輸出。最近的理論研究顯示，有限時間的測量和控制操作可能會引入能量成本、信息獲取和性能之間的基本權衡，我們希望瞭解這些限制如何影響我們工作的引擎類型。」
這項研究結果已發表在《物理評論快報》期刊上。
量子熱機的潛在影響與挑戰
這項研究突破了傳統熱力學的界限，顯示量子系統在熱流操控上的潛力。量子熱機不僅能同時產生機械功和冷卻，還為未來的量子技術應用提供了新的思路。隨著量子技術的發展，研究人員面臨的挑戰在於如何將理論轉化為實際可行的設備，並理解在有限時間內操作的能量成本及效率之間的權衡。這些探索將對未來的量子處理器和傳感器設計具有重要意義。