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）