“量子热机”研发引关注

雨落润田

12月3日报道，功率远超内燃机的“量子热机”的研发正在引起关注。据说，利用量子不可思议的神奇运动，能够创造出接近于零损耗的理想引擎。如同蒸汽机带来了工业革命，量子技术的普及也可能给未来社会带来重大变革。

报道称，新的动力将给社会形态带来巨变。始于18世纪下半叶的工业革命是由给水加温产生蒸汽、由蒸汽驱动活塞运动开始的。

目前占主流的燃烧化石燃料驱动活塞的内燃机则出现在19世纪。例如汽车发动机就是燃烧气化后的燃料、使空气受热膨胀推动活塞运动，将热能转化为机械功。

法国物理学家卡诺提出的“卡诺热机”概念被认为是一种理想化的效率最高的热机，但由于热损耗等原因在现实世界中根本无法实现。

比方说，现在的汽车发动机会因为摩擦产生热损失，其热效率最高也只有40%多的水平。

而量子热机正是由于存在超越这种壁垒的可能性而备受期待。量子是物质和能量的最小单位粒子。利用微观纳米世界中极低温度下发生的特殊运动，人们试图如发动机那样从热能和其他能源中获得动力。

第一个设想的用途是为量子计算机等使用量子技术的下一代设备提供能源。它们通常在极低温环境中运行，因而据说拥有很高的适配度。

有研究人员认为，“量子热机将改变社会”。虽然全球范围内有关量子热机的设想多种多样，但电气通信大学副教授田岛裕康等人在对一些理论进行验证后发现，由于消除了能量损失，像卡诺热机一样实现大功率输出是有可能的。

虽然备受期待，但目前进行的都是在微观且极低温环境中的基础实验。来自德国凯泽斯劳滕-兰道工业大学和冲绳科学技术研究生院大学的研究团队正在尝试利用进行量子运动的基本粒子的状态变化。

基本粒子由于性质不同大体分为“玻色子”和“费米子”。

如果从外部施加能量，两个费米子就会黏合成一个玻色子，或者分裂成两个费米子。如果这种状态变化得以持续，就好像空气体积不断被压缩和膨胀的内燃机一样。

还有一种方式就是利用量子最具代表性的不可思议的运动——叠加。这种现象已被用于量子计算机。传统的计算机将电流的断开和接通作为“0”和“1”来进行计算，而量子计算机则以同时存在“0”和“1”的叠加状态为基础进行计算。这使得以往很难进行的计算成为可能。

量子热机创建了“热状态”与“冷状态”的叠加，而不是“0”和“1”的叠加。如果以这样的方式将热能转化为动力，就能造出量子热机。这将是一种有潜力在瞬间获得巨大能量的机制。

理化学研究所专职研究员大野圭司等人在极低温环境下使用硅制元件模拟了叠加状态。用两种微波代替外界施加的热能，制造出将两种状态叠加在一起的量子叠加态。

量子热机非常小。从单个设备中获得的热量预计在纳瓦范围内，但硅元件很容易集成。按照大野的说法，“我们也许可以把它做得更大，就像智能手机电池一样”。

量子计算机研发已经经历了长期的基础研究，近年来进入到企业竞相生产原型机的阶段。或许量子技术的创新速度会远快于人们的想象。