量子引擎压缩由玻色子组成的粒子气体，并解压由费米子组成的粒子气体。来源:Mirijam Neve
科学家揭示了开发高效量子器件的令人兴奋的可能性。
量子力学是物理学的一个分支，它在非常小的尺度上探索粒子的性质和相互作用，比如原子和分子。这导致了新技术的发展，这些新技术比传统技术更强大、更高效，在计算、通信和能源等领域取得了突破。
发动机设计的巨大飞跃
在冲绳科学技术研究所(OIST)，量子系统部门的研究人员与凯泽斯劳滕-朗道大学和斯图加特大学的科学家合作，设计并制造了一个基于粒子在非常小尺度上遵守的特殊规则的发动机。
他们开发了一种利用量子力学原理产生动力的发动机，而不是通常的燃烧燃料的方式。描述这些结果的论文是由OIST研究人员Keerthy Menon, Eloisa Cuestas博士，Thomas Fogarty博士和Thomas Busch教授共同撰写的，并发表在《自然》杂志上。
比较经典引擎和量子引擎
在典型的经典汽车发动机中，燃料和空气的混合物在一个燃烧室中被点燃。由此产生的爆炸加热了腔内的气体，这反过来推动活塞进出，产生的功使汽车的车轮转动。
在他们的量子引擎中，研究人员用改变气体中粒子的量子性质来取代热量的使用。为了理解这种变化是如何为发动机提供动力的，我们需要知道，基于它们特殊的量子特性，自然界中的所有粒子都可以被分类为玻色子或费米子。
在非常低的温度下，量子效应变得很重要，玻色子比费米子具有更低的能量状态，这种能量差可以用来为发动机提供动力。量子引擎的工作原理是将玻色子转换成费米子，然后再转换回来，而不是像经典引擎那样循环地加热和冷却气体。
“要把费米子变成玻色子，你可以把两个费米子组合成一个分子。这个新分子是玻色子。把它拆开，我们就能再次找回费米子。通过循环这样做，我们可以在不使用热量的情况下为发动机提供动力，”量子系统部门的负责人托马斯·布希教授解释说。
量子引擎的效率和潜力
虽然这种类型的发动机只在量子状态下工作，但研究小组发现，在德国合作者目前建立的实验装置中，它的效率相当高，可以达到25%。
这种新型发动机是量子力学领域的一项令人兴奋的发展，并有可能导致量子技术新兴领域的进一步发展。但这是否意味着我们很快就会看到量子力学为汽车引擎提供动力呢?Keerthy Menon解释说:“虽然这些系统可以非常高效，但我们只与实验合作者一起完成了概念验证。”“建造一个有用的量子引擎仍然存在许多挑战。”
如果温度太高，热量会破坏量子效应，因此研究人员必须尽可能地保持系统的低温。然而，为了保护敏感的量子态，在如此低的温度下进行实验需要大量的能量。
研究的下一步将涉及解决有关系统操作的基本理论问题，优化其性能，并研究其在其他常用设备(如电池和传感器)上的潜在适用性。
参考文献:“bc - bcs交叉中的量子引擎”，作者:Jennifer Koch, Keerthy Menon, Eloisa Cuestas, Sian Barbosa, Eric Lutz, Thomás Fogarty, Thomas Busch和Artur Widera, 2024年9月27日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06469 - 8
