科學家提出高效驅動微型引擎概念

把球推上山坡需要能量。量子引擎或能通過反復測量實現同樣的工作。

圖片來源：Michael Blann/《科學》

 要測量一個原子，不可能不擾動它，至少根據量子力學是這樣的。但兩名物理學家報告稱，這一效應似乎有點麻煩，但它可以驅動一個微型引擎以近乎100%的效率運行——遠高于汽車引擎的效率。目前，這一“測量引擎”仍是純假設，但物理學家稱或許未來真能造出一款這樣的引擎。

“這是個非常好的想法。”法國蒙特邦奧圣馬爾坦市投資量子計算的人工智能公司ProbaYes的物理學家David Herrera Martí說，“你可以想象有一群小分子機器被一束激光高效地驅動著。”

引擎是反復循環一系列動作從而把能量轉化為有用功的一種機器。為了保持發動機的運轉，引擎必須不斷地恢復到初始狀態，在此過程中，它需要失去一些熱量。在熱力學第二定律的條件下，不可避免的能量浪費嚴重地限制了熱機的效率，使其低于氣缸設定的溫度水平。通常一輛汽車會只把25%的汽油能量轉化為動力。

然而，美國紐約市羅切斯特大學的Cyril Elouard和Andrew Jordan說，在微小量子的領域，引擎可以從另一種來源獲得能量（即測量一個微小粒子的位置所需的能量），并以幾乎完全的效率使用它。他們兩人設計了一種方案，例如只要反復測量粒子的位置，就可以在引力的作用下抬升粒子。

想象電梯地板上有一個保齡球。無論你看它多少次，它的位置都不會變。但當把保齡球縮小到中子大小時，量子力學顯著地改變了這幅圖景。因為中子是如此之小，其位置已無法被準確預測。相反，它需要用散射的量子波才能被發現，從而給出在不同地方找到該中子的概率。量子波有些類似懸浮在移動平臺上的一團云，在平臺附近密度很大，而在更高的地方則更稀薄，而中子很可能在平臺附近。但直到測量發生，中子的位置才能被知曉。

利用量子測量“非此即彼”的性質，Elouard和Jordan想知道，測量的中子是在移動平臺上方的一定距離內，還是在更遠的地方。如果中子在靠近平臺的區域內，它們實際上會離開平臺；如果中子在靠近平臺的區域之外，它們會以同樣的設定距離向平臺上方移動，在重力把中子拉回來之前捕獲中子。研究人員近日在《物理評論快報》上發表的一項報告中指出，重復這個過程會逐漸抵抗引力束縛，使中子提升。有趣的是，該平臺本身不會產生提升中子的作用力。相反，提升中子的能量來自于測量本身。

據計算，該“測量引擎”的效率可以達到99.8%。Jordan說，建立這樣一個引擎是有可能的。“你不會用它來運行火車頭。”他說，“但你可以運行一個原子或一個分子。”不過，這樣的機器有什么潛在益處有待觀察。