且看中國學者如何將熱機升級為“量子版本”

量子希拉德熱機示意圖 中國科大供圖

熱機在人類社會發展進程和生活中發揮著重要作用。如何提高熱機效率一直是熱力學的核心科學問題。隨著量子技術對單分子、單原子操控技術的發展，熱力學與量子技術的交叉有望在微觀尺度構建出最小的量子熱機，并且利用量子特性提高熱機效率。到目前為止，大家通常關注量子熱機中功介質量子系統本身的量子相干性，認為它是效率提升最為關鍵的量子資源，但研究顯示其作用仍存在爭議。

杜江峰團隊與理論合作者湖南師范大學特聘教授任昌亮合作，構建了一個“量子版本”的希拉德熱機。量子體系與經典體系的一個重要區別是，對量子態進行測量一般會改變量子態，所以研究人員加入了一個經典版本不存在的操作：用一個單電子自旋量子比特作為環境比特，在制備初始狀態的時候使環境比特和工作介質比特之間建立量子關聯，從而可以不用直接測量工作介質比特，而是通過測量環境比特來獲取工作介質比特的狀態信息。根據環境比特的狀態對工作介質比特施加受控幺正操作，就可以使工作介質比特總是對外做正功。通過這樣一個設計，使得人們可以研究量子關聯在量子熱機中所起到的作用。

研究人員基于金剛石氮-空位色心體系，實驗實現了量子希拉德熱機。實驗結果表明，量子導引的存在對于量子希拉德熱機的做功發揮著重要作用：存在量子導引的希拉德熱機比不存在量子導引的希拉德熱機有更大的做功，并且量子導引不等式破壞越大，量子希拉德熱機的功提取不等式破壞就越大，也就更加體現出量子熱機優越性。反過來，也可以利用做功的大小來區分經典和量子，即量子關聯的有無。

這一成果以希拉德熱機為例，展示了量子熱機中量子關聯的獨特作用，為建立量子信息和量子熱力學的橋梁提供了新思路。