阿爾托大學(xué)的研究人員正在設(shè)計(jì)納米級量子熱發(fā)動機(jī)，以探索它們是否能夠在功率和效率方面超越傳統(tǒng)熱力發(fā)動機(jī)。

在自然物理學(xué)雜志上發(fā)表的論文中，由Jukka Pekola教授領(lǐng)導(dǎo)的小組提出了一種解決量子系統(tǒng)如何與其宏觀環(huán)境和自身內(nèi)部相互作用和交換能量的問題的方法。該小組致力于在他們的研究中以同樣的方式處理量子信息和熱力學(xué)。

“我們在量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微型熱閥，它由人工原子，超導(dǎo)量子比特組成 - 量子計(jì)算和量熱發(fā)動機(jī)的基本構(gòu)件，”Pekola教授解釋道。

在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特必須與嘈雜的外部世界分離以維持脆弱的量子態(tài)，在量子熱引擎中，系統(tǒng)需要耦合到其耗散的環(huán)境，以加熱浴。

一個(gè)特別令人費(fèi)解的問題是當(dāng)將外部熱源或“熱浴”連接到相干量子系統(tǒng)或量子比特時(shí)的熱化過程。最終，通過一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射光子，在這些系統(tǒng)之間交換熱量。

“使用由磁場控制的量子比特作為”閥門“，我們可以阻止或釋放通過金屬電阻器形成的兩個(gè)”熱浴“之間通過量子比特傳遞熱量的光子流，'Alberto Ronzani博士解釋說，該論文的第一作者。

量子熱力發(fā)動機(jī)將熱量轉(zhuǎn)化為有用的工作，或者相反，作為冰箱運(yùn)行。

“我們的工作證明了熱閥在某些情況下如何工作。我們的目標(biāo)是將實(shí)驗(yàn)和理論上的努力結(jié)合起來，了解量子制冷機(jī)和熱力發(fā)動機(jī)的工作原理，但尚未提出非耗散系統(tǒng)和完全耗散系統(tǒng)之間交叉的總體情況。Pekola說，這對未來是一個(gè)挑戰(zhàn)。

除了Pekola和Ronzani之外，該團(tuán)隊(duì)還包括博士生Bayan Karimi和Jorden Senior，Joonas Peltonen博士以及國立臺灣大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所的其他合作者Yu-Cheng Chang和ChiiDong Chen博士。臺灣，中華民國，對這項(xiàng)工作的實(shí)驗(yàn)性貢獻(xiàn)。