量子漲落定理：開啟未來(lái)能源的“秘鑰”

想象一下，如果手機(jī)在不充電的情況下，僅靠周圍環(huán)境中微小的能量波動(dòng)就能永遠(yuǎn)保持滿電狀態(tài)，是不是很酷？近日，蘭州大學(xué)教授安鈞鴻與吳威團(tuán)隊(duì)在量子熱力學(xué)領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展，有望讓這種科幻電影中的情節(jié)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

他們的研究成果不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知的邊界，更給量子熱機(jī)的未來(lái)設(shè)計(jì)帶來(lái)無(wú)限可能。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

量子熱力學(xué)：能源科學(xué)新引擎

“量子熱力學(xué)為新的產(chǎn)業(yè)革命提供了原始創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力，是量子科技的重要組成部分。”安鈞鴻告訴筆者。

近20年來(lái)，隨著量子科技的蓬勃發(fā)展，物理學(xué)家將19世紀(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與規(guī)律總結(jié)建立起來(lái)的熱力學(xué)定律，推廣到有限自由度的微觀小系統(tǒng)，提出了一系列問(wèn)題。

傳統(tǒng)熱力學(xué)定律在量子力學(xué)與遠(yuǎn)離熱平衡情況下是否還成立？在傳統(tǒng)熱力學(xué)中，溫度、熵、熱與功等概念在量子力學(xué)框架下是否需要修改與拓展？

這些問(wèn)題促使物理學(xué)家重新審視并重構(gòu)熱力學(xué)理論框架。量子熱力學(xué)不僅關(guān)注微觀系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與熱交換，還試圖通過(guò)量子力學(xué)原理揭示能量、信息與熵之間的深層次關(guān)系。

“在傳統(tǒng)熱力學(xué)框架內(nèi)，熱機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率受制于卡諾極限。這一極限由熱力學(xué)第二定律決定，無(wú)法通過(guò)經(jīng)典調(diào)控手段來(lái)突破，制約了當(dāng)今社會(huì)各類熱機(jī)的能源轉(zhuǎn)換效率，如空調(diào)、冰箱、汽車等。”安鈞鴻說(shuō)。

但在量子熱力學(xué)框架內(nèi)，利用量子壓縮或量子相干性等量子資源，人們可以突破卡諾極限，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)于經(jīng)典熱機(jī)的量子熱機(jī)，從而變革性地提高能量轉(zhuǎn)換與使用效率。

因此，在安鈞鴻看來(lái)，隨著人類對(duì)能源需求的日益增長(zhǎng)，量子熱力學(xué)對(duì)能源科學(xué)的重要性不言而喻。

能量革命：解鎖無(wú)線充電的量子電池

安鈞鴻團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在量子科技領(lǐng)域從事基礎(chǔ)研究，不斷追尋顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的量子效應(yīng)，一直是他們的目標(biāo)。

在前期工作中，安鈞鴻團(tuán)隊(duì)將新奇的量子效應(yīng)與量子調(diào)控手段運(yùn)用到磁力計(jì)、光學(xué)陀螺儀和低溫溫度計(jì)等精密測(cè)量方案，以及作為雷達(dá)基礎(chǔ)的高分辨率量子探照的研究中，并取得了一系列重要成果。

“在量子計(jì)算、通信與精密測(cè)量的熱潮中，我們意識(shí)到，量子效應(yīng)不僅能夠重塑信息的存儲(chǔ)、運(yùn)算與提取，更有可能在能量領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)革命。”安鈞鴻說(shuō)。

2024年初，安鈞鴻團(tuán)隊(duì)在量子熱力學(xué)方面取得了一項(xiàng)重要研究成果——提出了無(wú)線充電的抗老化量子電池方案，解決了傳統(tǒng)量子電池普遍存在的充電低效與能量損耗問(wèn)題。該研究受到國(guó)內(nèi)外科技媒體的廣泛關(guān)注，《自然》還將其作為“研究亮點(diǎn)”進(jìn)行了報(bào)道。

安鈞鴻表示，與依賴鋰等材料儲(chǔ)存電荷的傳統(tǒng)化學(xué)電池不同，量子電池利用微觀系統(tǒng)的量子能級(jí)存儲(chǔ)能量，既不會(huì)閃爆，也不會(huì)污染環(huán)境。不僅如此，得益于量子糾纏，量子電池的充電速度也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)化學(xué)電池。“審慎樂(lè)觀地預(yù)測(cè)，未來(lái)一旦研發(fā)出量子電池，光伏的光電轉(zhuǎn)換效率將顯著提高。”

然而，這僅僅是個(gè)開始。

在量子電池?zé)o線充電的成功背后，安鈞鴻團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了更加深邃的科學(xué)奧秘——量子電池與充電器之間的能量傳輸表現(xiàn)出的豐富的非平衡特性具有普適性。

“這會(huì)深刻影響包括功與熱在內(nèi)的能量交換，從而改寫傳統(tǒng)量子熱力學(xué)中建立在系統(tǒng)-環(huán)境弱耦合基礎(chǔ)上的量子熱的漲落定理。因此，在這一研究工作的啟發(fā)下，我們順勢(shì)進(jìn)入量子熱力學(xué)漲落定理這一研究領(lǐng)域，并取得了重要進(jìn)展。”安鈞鴻說(shuō)。

廣義量子漲落定理：突破傳統(tǒng)框架

在量子熱力學(xué)中，遠(yuǎn)離平衡態(tài)的能量、信息及熵等因熱漲落、量子漲落與非平衡弛豫影響而隨機(jī)變化，需要通過(guò)概率分布描述。研究發(fā)現(xiàn)，這些非平衡態(tài)熱力學(xué)量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律與平衡態(tài)物理量間存在恒等式，即量子漲落定理，它橋接了非平衡態(tài)的隨機(jī)性與平衡態(tài)的確定性，是量子熱力學(xué)發(fā)展的重要里程碑。

通過(guò)大量計(jì)算與分析，安鈞鴻與吳威團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)量子熱的漲落定理失效的根源在于系統(tǒng)—環(huán)境強(qiáng)耦合破環(huán)了系統(tǒng)非平衡過(guò)程的細(xì)致平衡條件。細(xì)致平衡條件指在趨向平衡的過(guò)程中，系統(tǒng)從一個(gè)微觀狀態(tài)演化到另一個(gè)微觀狀態(tài)的概率與其逆向演化的比值由環(huán)境的溫度唯一決定的物理性質(zhì)。

接下來(lái)，他們證明了傳統(tǒng)漲落定理在量子強(qiáng)耦合下不再適用，并明確了理論邊界。

然而，真正的挑戰(zhàn)在于如何修補(bǔ)之前的漏洞，構(gòu)建一個(gè)在所有參數(shù)空間內(nèi)都能穩(wěn)固站立的廣義漲落定理。

“這要求我們不僅要理解量子系統(tǒng)與外部環(huán)境間復(fù)雜而微妙的相互作用，還要具備創(chuàng)新思維，以超越傳統(tǒng)框架的方式重構(gòu)熱力學(xué)的基本原理。”安鈞鴻說(shuō)。

經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次討論與嘗試，該團(tuán)隊(duì)最終提出一種創(chuàng)新性解決方案——通過(guò)引入“有效溫度”概念，巧妙恢復(fù)了量子系統(tǒng)在非平衡態(tài)下的細(xì)致平衡條件。安鈞鴻介紹說(shuō)：“這一概念的引入，如同在量子熱力學(xué)的復(fù)雜迷宮點(diǎn)亮了一盞明燈，使我們能夠清晰看到通往廣義漲落定理的道路。”

這一研究方法提供了一個(gè)探索強(qiáng)耦合量子系統(tǒng)中能量交換規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)研究范式，既可以推廣到其他系統(tǒng)，也可以用于探索其他熱力學(xué)量的量子漲落定理。研究提出的廣義量子漲落定理提供了一項(xiàng)量子熱的全面研究，深化了量子熱力學(xué)的研究范疇，重塑了人們對(duì)強(qiáng)耦合系統(tǒng)中量子熱漲落特性的理解。

這也為該團(tuán)隊(duì)下一步探索非平衡量子熱機(jī)提供了一個(gè)非常有效的調(diào)控機(jī)制——通過(guò)優(yōu)化耦合強(qiáng)度，提升熱交換效率。

在熱機(jī)循環(huán)中，傳統(tǒng)熱力學(xué)限制了能量傳輸?shù)恼{(diào)控，而廣義量子漲落定理揭示了其獨(dú)特的非平衡能量交換特性，能夠精準(zhǔn)控制能量傳輸，有望超越傳統(tǒng)熱機(jī)效率。這一發(fā)現(xiàn)也為非平衡熱力學(xué)定律的建立提供了新思路。

在傳統(tǒng)熱力學(xué)框架內(nèi)，吸、放熱過(guò)程的能量傳輸取決于兩個(gè)熱庫(kù)的溫差，是不可調(diào)控的。“在量子熱力學(xué)框架下，我們通過(guò)廣義量子漲落定理，能精細(xì)調(diào)控這些非平衡特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量傳輸?shù)木珳?zhǔn)控制，突破傳統(tǒng)熱機(jī)的性能限制。此定理不僅為構(gòu)建高效非平衡量子熱機(jī)提供了有效的調(diào)控策略，還有望引領(lǐng)量子能源技術(shù)的潛在革新。”安鈞鴻說(shuō)。