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科技日?qǐng)?bào)訊 在真實(shí)的物理過(guò)程中，只要做功總會(huì)有能量損失，這部分能量損失是由于摩擦造成，特別是在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中。但在一項(xiàng)最新研究中，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和英國(guó)皇后大學(xué)的物理學(xué)家設(shè)計(jì)出一種以零摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，利用某種量子捷徑的優(yōu)勢(shì)來(lái)做功。設(shè)計(jì)以最大極限功率運(yùn)轉(zhuǎn)的最大效率發(fā)動(dòng)機(jī)是工程領(lǐng)域的一個(gè)重要目標(biāo)，本研究標(biāo)志著人們向這一目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然·科學(xué)報(bào)告》雜志上。

量子波動(dòng)在宏觀層面微不足道，但在微觀層面卻成為主導(dǎo)。熱力學(xué)定律成功描述了許多系統(tǒng)中功和熱的概念，但要解釋微觀領(lǐng)域的大量現(xiàn)象，需要一個(gè)全新的熱力學(xué)定律。“量子版”的熱力學(xué)是什么樣子尚不得而知，也沒(méi)有描述量子設(shè)備可能有哪些優(yōu)勢(shì)，人們關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題是，它能否建立一個(gè)可逆的量子發(fā)動(dòng)機(jī)，即發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是可逆的，是一個(gè)沒(méi)有能量損耗的“絕熱”過(guò)程。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)9月16日?qǐng)?bào)道，在論文中，研究人員提出了一個(gè)量子發(fā)動(dòng)機(jī)“超-絕熱”的例子：發(fā)動(dòng)機(jī)利用量子捷徑實(shí)現(xiàn)一種通常只在慢絕熱過(guò)程中才能實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)需要完全無(wú)摩擦，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了它的最大極限效率，同時(shí)還能產(chǎn)生一些功率。

“量子捷徑讓我們能通過(guò)一種非常慢的準(zhǔn)靜態(tài)周期，來(lái)‘模仿’所要實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)，同時(shí)還能在有限時(shí)間里完成改變?！闭撐暮现?、英國(guó)皇后大學(xué)莫洛·佩特諾斯特羅說(shuō)，“比如一個(gè)活塞循環(huán)中的壓縮或擴(kuò)張，如果時(shí)間有限而速度不為零，摩擦可能會(huì)影響它的改變。但如果用一種捷徑來(lái)絕熱，就會(huì)消除類(lèi)摩擦效應(yīng)，完成這種循環(huán)就和準(zhǔn)靜態(tài)馬達(dá)類(lèi)似?！?/p>

“這項(xiàng)研究是把量子控制與熱力學(xué)合并的第一步。”佩特諾斯特羅說(shuō)，“我們證明了，在量子發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，利用捷徑達(dá)到絕熱性，就能設(shè)計(jì)一個(gè)以有限功率和零摩擦運(yùn)轉(zhuǎn)的熱力學(xué)循環(huán)。而以往只用于其他目的的技術(shù)手段可以用在熱力學(xué)任務(wù)中，設(shè)計(jì)高效循環(huán)?！?/p>

佩特諾斯特羅認(rèn)為，真正的挑戰(zhàn)是把這種技術(shù)用于相互作用的量子多體系統(tǒng)，利用這種量子控制可以“駕馭”量子系統(tǒng)本身的錯(cuò)綜復(fù)雜性和豐富的現(xiàn)象，從而帶來(lái)巨大利益。

（常麗君）