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量子热力学的星星之火,会燎原还是会熄灭?

Nature自然科研
2018-02-22 21:04:47 阅读:
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科学家展开实验,探索热力学经典定律的极限.

量子热力学的星星之火,会燎原还是会熄灭?

图片来源:Edgar Bak

以前人们认为只有愚蠢的物理学家才会敢于尝试打破热力学定律。但现在看来,情况并非如此。在英国牛津大学的一个实验室里,量子物理学家们正试图用一小块人造金刚石来改变热力学定律。起初,金刚石几乎看不见,隐藏在混乱的光纤和镜子中。但是当他们接通绿色激光时,金刚石中的瑕疵被照亮,晶体开始发红光。

有鉴于此,研究小组发现了仅在几年前被理论预言的一个效应的初步证据:一种能将金刚石的输出功率推到经典热力学定律规定的平之上的量子效应。如果结果成立,它们将为量子热力学研究带来巨大好处。这是一个相对较新的领域,旨在揭示在原子尺度上控制热量和能量流动的规则。

科学家有理由怀疑在量子领域中,基于大量粒子行为的热力学定律是不同的。在过去的五年左右,一个量子热力学团体围绕这个想法发展起来。曾经只有少数理论家的领域现在已包括全球数百名理论和实验物理学家。以色列耶路撒冷希伯来大学在该领域的早期先驱Ronnie Kosloff说:“这个领域发展得如此之快,以致于我几乎无法跟上。”

许多量子热力学家希望能找到传统热力学之外的行为,以应用于实际,包括改进基于实验室的制冷技术,创造性能更强的电池和改善量子计算技术。

但是这个领域还处于起步阶段。像牛津大学金刚石实验这样的实验只是对理论预测的最初测试。而在外围工作的物理学家正密切关注这样的测试,探寻可证明理论家的预测有应用价值的证据。哈佛大学的物理学家Ronald Walsworth说:“量子热力学显然是热点。”他专门研究精密原子尺度工具。“但是对于我们这些旁观者来说,问题是:它真的能为技术的发展带来新思路吗?”

打破定律

经典热力学定律的发展可以追溯到十九世纪。它们的出现源于对蒸汽机和其他宏观系统的研究。热力学量(如温度和热量)本质上是统计意义的,并且参照粒子大集合体的平均运动来定义。但是早在20世纪80年代,Kosloff就开始思考这种物理认知对于更小的系统是否仍旧适用。

Kosloff表示,当时这不是一个受欢迎的研究方向,因为所涉及的问题基本上是抽象的,几乎无法同实验联系起来。他说:“这个领域发展非常缓慢。我孤军奋战了多年。”

量子热力学的星星之火,会燎原还是会熄灭?

牛津大学的一个实验设备用于研究量子效应是否可以提高金刚石的输出功率。

图片来源:Jonas Becker

从约十年前起,这种情况发生了巨大变化,因为有关技术小型化极限的问题变得更为迫切,同时实验技术也进步了。人们进行了一系列的尝试来计算热力学和量子理论如何结合。但是由此产生的建议不但没有澄清事实,反而造成了更多的混乱,Kosloff称。一些人声称,量子器件可以打破经典的热力学约束而不受任何损失,因此可以用于制造永动机,它能够在不需要任何能量输入的情况下进行工作。另一些人认为热力学的定律在非常小的尺度下应该保持不变,而这同样令人费解。

Kosloff说:“从某种意义上说,你可以使用相同的公式来计算单个原子引擎和汽车引擎的性能。但是这似乎也令人震惊——毕竟随着物体越来越小,你总应会达到某种量子极限。” 德国弗赖堡大学的量子物理学家Tobias Schaetz同样表示,在经典热力学中,单个粒子没有温度。所以当系统产生活动且其环境接近这个极限时,几乎无法想象它们会服从标准的热力学规律。

大量相互矛盾的理论主张和预测最初削弱了这个新兴领域的可信度。德国奥格斯堡大学的量子物理学家Peter Hänggi说:“我一直对这个领域持批评态度,因为这个领域里理论泛滥却实验不足。”但是该领域的科学家开始更加正式地围绕核心问题进行合作,以消除混乱。一个目标是使用实验来揭示经典热力学定律不再完美预测量子系统的热行为的临界点。

科学家开始开展实验来敲定量子热力和经典热力之间的边界。例如,去年 Schaetz和他的同事发现,在一定条件下,晶体中由五个或更少的镁离子组成的链不像更大的系统一样能与周围环境达到并保持热平衡。在他们的测试中,每个离子一开始处于高能状态,并且其自旋在对应于其磁性方向的两个状态(“向上”和“向下”)之间振荡。标准的热力学预言,当离子与晶体中的周围其他原子发生相互作用而冷却时,这种自旋振荡就会消失,正如热咖啡会在其分子与周围较冷的空气中的分子碰撞时逐渐冷却一样。

这种碰撞将能量从咖啡分子转移到空气分子。晶体中有类似的冷却机制,晶格中量子化的振动称为声子,它们从振荡的自旋中带走热量。Schaetz和同事发现他们的小离子系统确实停止了振荡,表明它们已经冷却了。但几毫秒之后,离子又开始剧烈振荡。Schaetz说,这个复苏与量子有关。声子并未完全耗散,而是在晶体边缘反弹,并同相返回到它们的源离子,恢复原来的自旋振荡。

Schaetz说,他的实验向试图缩小现有电子设备尺寸的工程师发出了警告。他说:“你有一根只有10到15个原子宽的电线,你可能会认为它已经成功地将热量从芯片上带走了,但是噗的一声——突然之间这种量子复苏发生了。这是非常令人不安的。”

反弹声子可能会在某些应用中造成困难,但其他量子现象反而可能是有利的。鉴定这种现象的工作由于在量子系统中难以确定如热量和温度等基本量而停滞不前。但150年前由苏格兰物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出的一个著名的思想实验的解决方案提供了研究方向的线索,并在信息和能量之间建立了一种有趣的联系。麦克斯韦构想了一个实体,它可以对缓慢和快速移动的分子进行分类,仅仅通过打开和关闭它们之间的门就在两个“腔”之间产生温差。

这后来被称为 “麦克斯韦妖”,它所形成的一个热腔和一个冷腔能够被用以产生有用的能量。问题在于,通过这种方法对粒子进行分类,该妖在不必对粒子本身做功的情况下降低了系统的熵 ——一个衡量粒子排列的无序性的量。这看似违反了热力学第二定律。

但是物理学家们最终意识到,这个妖会付出热力学的代价来处理有关分子速度的信息。它需要存储,擦除和重写这些信息。这个过程消耗能量,并造成熵的整体增加。信息曾被认为是非物质的,“但是麦克斯韦妖表明,它可能会产生客观的物理结果。”西班牙巴塞罗那光子科学研究所的量子物理学家Arnau Riera说。

找到极限

受到信息是一个物理量并且与热力学密切相关的观点的启发, 研究人员试图改写热力学定律,以使它们在量子体系中也有效。

虽然人们意识到永动机或许是不可能的,但是人们仍在研究早期希望量子热力学所规定的极限不如经典领域中的极限那么苛刻。以色列理工学院科技部的量子物理学家Raam Uzdin说:“这是我们从量子计算中获得的思路——量子效应可以帮助你打破传统的界限。”

Uzdin说,令人失望的是,事实并非如此。最近的分析表明,控制效率的热力学第二定律以及禁止系统达到绝对零度的第三定律的量子版本保留了与其经典版相似的甚至在某些情况下更严格的限制。

伦敦大学学院的量子物理学家Jonathan Oppenheim表示,由于宏观热力学量“自由能”(系统可用于做功的能量)在微尺度上并不只有一个对应物,而是有多个,因此会出现差异。经典理论中,自由能计算的前提是假定系统中所有状态(由给定能量的粒子排列所确定)具有相同的可能性。但Oppenheim说,这个假设在微小尺度上是不正确的。某些态可能比其他态更有可能。

为了把这点考虑进去,需要定义额外的自由能以准确描述系统及其演变过程。Oppenheim和同事提出,每一种自由能都存在属于自己的第二定律,量子器件必须遵守所有这些规律。Oppenheim说:“由于第二定律告诉你不允许做什么,在某些方面,似乎在微观上有更多的规律会使情况更加麻烦。”

为计算第二和第三定律的等价物所做的大部分工作目前仍然停留在理论层面。但支持者认为,它可以帮助阐明热力学极限如何在小尺度下被强制执行。例如,阿根廷两位量子物理学家开展的理论分析表明,当量子冰箱接近绝对零度时,光子会自发地出现在器件附近。其中一位研究者、布宜诺斯艾利斯Ciudad University的Nahuel Freitas解释说:“这会将能量转移到周围环境中,产生对抗冷却的热效应,从而阻止你达到绝对零度。”

理论也揭示了一些潜在的回旋余地。在一项研究粒子热腔和冷腔之间的信息流动的理论分析中,包括Riera和量子物理学家Manabendra Nath Bera在内的一个巴塞罗那小组发现了一个奇怪的情景,在这个场景中,热腔似乎自发地变得更热,而冷腔变得更冷。“起初,这看起来很疯狂,就像我们可以违反热力学一样。” Bera说。但研究人员很快意识到,他们忽视了量子扭曲:腔中的粒子可能会纠缠在一起。从理论上说,制定和打破这些相关性提供了一种储存和释放能量的方式。一旦这个量子资源被考虑在内,热力学定律就说得通了。

许多独立团队已经提出使用这种纠缠来存储“量子电池”中的能量,意大利理工学院的一个小组试图用超导量子比特做成的电池来证实巴塞罗那团队的预测。原则上,这种量子电池的充电速度比类似的经典电池要快得多。Riera说:“尽管你无法提取或储存比经典极限允许的更多的能量——这一点由第二定律确定,但是你可以加快速度。”

一些研究人员正在寻找更简单的方法来操纵量子比特以应用于量子计算。加拿大滑铁卢大学的量子物理学家Nayeli Azucena Rodríguez Briones和她的同事们制定了一项操作,该操作可能通过调控量子比特能级对来提升计算机冷却效率,以达到量子计算操作所需要的冷却条件。他们目前正计划在实验室中使用超导量子比特来测试这个想法。

星星之火

量子效应可以用来提高热力学性能的概念也启发了牛津大学正在进行的金刚石实验,这个实验最早由希伯来大学的 Kosloff,Uzdin和Amikam Levy提出。金刚石中被氮原子散射所产生的缺陷能够作为引擎——该器件在先后同一个热库(这里是激光)和一个冷库接触后运作。但是Kosloff和他的同事们期望这种引擎可以在增强模式下运行,即利用量子效应使得一些电子同时存在于两种能量状态。通过脉冲激光而不是连续光束来保持这些叠加态,应该能够使晶体比在其他情况下更迅速地发射微波光子(见“ 构建量子热机 ”)。

量子热力学的星星之火,会燎原还是会熄灭?

不久前,英国牛津的团队公布了一项初步分析,展示了所预测的量子提升的证据。英国埃克塞特大学的量子物理学家Janet Anders说,这篇论文还没有经过同行评审,但如果这项研究成立的话,那么“这是一个开创性的成果”。但是,她补充道,目前还不清楚究竟是什么导致这一非凡结果。Anders说:“这似乎是一种神奇的燃料,它不能增加能量,却能够使发动机更快地提取能量。“理论物理学家需要研究它是如何做到这一点的。”

Hänggi说,着眼于实验是振兴该领域的重要一步。但是,对他来说,这些实验还不够大胆,无法提供真正突破性的见解。还有一个挑战是量子系统会不可逆转地被测量和与环境的相互作用干扰。他说,这些效应在新实验的理论方案中很少被充分考虑, “这很难计算,且在实验中实施起来更加困难。”

进行金刚石实验的牛津实验室负责人Ian Walmsley也对这个领域的未来相当谨慎。尽管近年来他和其他实验者被量子热力学研究所吸引,但他表示,他们的兴趣在很大程度上是“机会主义”的。他们借用已经到位的本用于其他用途的装置,来进行相对快速和容易的实验; 例如,金刚石缺陷装置在量子计算和传感器应用方面已经被广泛研究。Walmsley 说,如今量子热力学蓬勃发展, “不过,这星星之火是会燎原还是熄灭,我们只能拭目以待。”ⓝ

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