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

他們的研究成果不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認知的邊界，更給量子熱機的未來設(shè)計帶來無限可能。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。

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)動力，是量子科技的重要組成部分?！卑测x鴻告訴筆者。

近20年來，隨著量子科技的蓬勃發(fā)展，物理學(xué)家將19世紀根據(jù)實驗觀測與規(guī)律總結(jié)建立起來的熱力學(xué)定律，推廣到有限自由度的微觀小系統(tǒng)，提出了一系列問題。

傳統(tǒng)熱力學(xué)定律在量子力學(xué)與遠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，無法通過經(jīng)典調(diào)控手段來突破，制約了當今社會各類熱機的能源轉(zhuǎn)換效率，如空調(diào)、冰箱、汽車等?！卑测x鴻說。

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)計出性能優(yōu)于經(jīng)典熱機的量子熱機，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，隨著人類對能源需求的日益增長，量子熱力學(xué)對能源科學(xué)的重要性不言而喻。

能量革命：解鎖無線充電的量子電池

安鈞鴻團隊長期在量子科技領(lǐng)域從事基礎(chǔ)研究，不斷追尋顛覆傳統(tǒng)認知的量子效應(yīng)，一直是他們的目標。

在前期工作中，安鈞鴻團隊將新奇的量子效應(yīng)與量子調(diào)控手段運用到磁力計、光學(xué)陀螺儀和低溫溫度計等精密測量方案，以及作為雷達基礎(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。

“在量子計算、通信與精密測量的熱潮中，我們意識到，量子效應(yīng)不僅能夠重塑信息的存儲、運算與提取，更有可能在能量領(lǐng)域引發(fā)一場革命?！卑测x鴻說。

2024年初，安鈞鴻團隊在量子熱力學(xué)方面取得了一項重要研究成果——提出了無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題。該研究受到國內(nèi)外科技媒體的廣泛關(guān)注，《自然》還將其作為“研究亮點”進行了報道。

安鈞鴻表示，與依賴鋰等材料儲存電荷的傳統(tǒng)化學(xué)電池不同，量子電池利用微觀系統(tǒng)的量子能級存儲能量，既不會閃爆，也不會污染環(huán)境。不僅如此，得益于量子糾纏，量子電池的充電速度也遠超傳統(tǒng)化學(xué)電池。“審慎樂觀地預(yù)測，未來一旦研發(fā)出量子電池，光伏的光電轉(zhuǎn)換效率將顯著提高?！?/p>

然而，這僅僅是個開始。

在量子電池無線充電的成功背后，安鈞鴻團隊發(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，我們順勢進入量子熱力學(xué)漲落定理這一研究領(lǐng)域，并取得了重要進展。”安鈞鴻說。

廣義量子漲落定理：突破傳統(tǒng)框架

在量子熱力學(xué)中，遠離平衡態(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變化，需要通過概率分布描述。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。

通過大量計算與分析，安鈞鴻與吳威團隊認識到，傳統(tǒng)量子熱的漲落定理失效的根源在于系統(tǒng)—環(huán)境強耦合破環(huán)了系統(tǒng)非平衡過程的細致平衡條件。細致平衡條件指在趨向平衡的過程中，系統(tǒng)從一個微觀狀態(tài)演化到另一個微觀狀態(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，他們證明了傳統(tǒng)漲落定理在量子強耦合下不再適用，并明確了理論邊界。

然而，真正的挑戰(zhàn)在于如何修補之前的漏洞，構(gòu)建一個在所有參數(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?！卑测x鴻說。

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

這一研究方法提供了一個探索強耦合量子系統(tǒng)中能量交換規(guī)律的標準研究范式，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，重塑了人們對強耦合系統(tǒng)中量子熱漲落特性的理解。

這也為該團隊下一步探索非平衡量子熱機提供了一個非常有效的調(diào)控機制——通過優(yōu)化耦合強度，提升熱交換效率。

在熱機循環(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特的非平衡能量交換特性，能夠精準控制能量傳輸，有望超越傳統(tǒng)熱機效率。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、放熱過程的能量傳輸取決于兩個熱庫的溫差，是不可調(diào)控的?！霸诹孔訜崃W(xué)框架下，我們通過廣義量子漲落定理，能精細調(diào)控這些非平衡特性，實現(xiàn)對能量傳輸?shù)木珳士刂?，突破傳統(tǒng)熱機的性能限制。此定理不僅為構(gòu)建高效非平衡量子熱機提供了有效的調(diào)控策略，還有望引領(lǐng)量子能源技術(shù)的潛在革新?！卑测x鴻說。