科学家提出高效驱动微型引擎概念—新闻—科学网

 
作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2018/7/18 9:51:32
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量子力学工具箱再添利器
科学家提出高效驱动微型引擎概念

把球推上山坡需要能量。量子引擎或能通过反复测量实现同样的工作。

图片来源:Michael Blann/《科学》

本报讯 要测量一个原子,不可能不扰动它,至少根据量子力学是这样的。但两名物理学家报告称,这一效应似乎有点麻烦,但它可以驱动一个微型引擎以近乎100%的效率运行——远高于汽车引擎的效率。目前,这一“测量引擎”仍是纯假设,但物理学家称或许未来真能造出一款这样的引擎。

“这是个非常好的想法。”法国蒙特邦奥圣马尔坦市投资量子计算的人工智能公司ProbaYes的物理学家David Herrera Martí说,“你可以想象有一群小分子机器被一束激光高效地驱动着。”

引擎是反复循环一系列动作从而把能量转化为有用功的一种机器。为了保持发动机的运转,引擎必须不断地恢复到初始状态,在此过程中,它需要失去一些热量。在热力学第二定律的条件下,不可避免的能量浪费严重地限制了热机的效率,使其低于气缸设定的温度水平。通常一辆汽车会只把25%的汽油能量转化为动力。

然而,美国纽约市罗切斯特大学的Cyril Elouard和Andrew Jordan说,在微小量子的领域,引擎可以从另一种来源获得能量(即测量一个微小粒子的位置所需的能量),并以几乎完全的效率使用它。他们两人设计了一种方案,例如只要反复测量粒子的位置,就可以在引力的作用下抬升粒子。

想象电梯地板上有一个保龄球。无论你看它多少次,它的位置都不会变。但当把保龄球缩小到中子大小时,量子力学显著地改变了这幅图景。因为中子是如此之小,其位置已无法被准确预测。相反,它需要用散射的量子波才能被发现,从而给出在不同地方找到该中子的概率。量子波有些类似悬浮在移动平台上的一团云,在平台附近密度很大,而在更高的地方则更稀薄,而中子很可能在平台附近。但直到测量发生,中子的位置才能被知晓。

利用量子测量“非此即彼”的性质,Elouard和Jordan想知道,测量的中子是在移动平台上方的一定距离内,还是在更远的地方。如果中子在靠近平台的区域内,它们实际上会离开平台;如果中子在靠近平台的区域之外,它们会以同样的设定距离向平台上方移动,在重力把中子拉回来之前捕获中子。研究人员近日在《物理评论快报》上发表的一项报告中指出,重复这个过程会逐渐抵抗引力束缚,使中子提升。有趣的是,该平台本身不会产生提升中子的作用力。相反,提升中子的能量来自于测量本身。

据计算,该“测量引擎”的效率可以达到99.8%。Jordan说,建立这样一个引擎是有可能的。“你不会用它来运行火车头。”他说,“但你可以运行一个原子或一个分子。”不过,这样的机器有什么潜在益处有待观察。

当然,有得必有失。使用准确度较低的测量方法需要更多周期提升中子。因此,量子测量引擎虽然效率很高,但其工作速度却很慢。Herrera Martí 指出,最终该发动机也不可能逃脱热力学第二定律。他说,尽管研究人员没有具体说明其测量设备,但它一定是一台需要浪费能源的大机器。

尽管如此,测量引擎还是在量子力学的工具箱中加入了一个新工具。(冯维维)

《中国科学报》 (2018-07-18 第2版 国际)
 
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以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

2018/7/18 15:16:12 like54
如果量子提升用了测量的99.8%的能量,那么测量这个过程的效率呢?它若小于25%不也是一样浪费能量......
目前已有1条评论
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