量子熱力學的星星之火，會燎原還是會熄滅？

原文以The new thermodynamics: how quantum physics is bending the rules為標題

發布在2017年11月1日的《自然》新聞特寫上

原文作者：Zeeya Merali

科學家展開實驗，探索熱力學經典定律的極限.

圖片來源：Edgar Bak

以前人們認為只有愚蠢的物理學家才會敢於嘗試打破熱力學定律。但現在看來，情況並非如此。在英國牛津大學的一個實驗室里，量子物理學家們正試圖用一小塊人造金剛石來改變熱力學定律。起初，金剛石几乎看不見，隱藏在混亂的光纖和鏡子中。但是當他們接通綠色激光時，金剛石中的瑕疵被照亮，晶體開始發紅光。

有鑒於此，研究小組發現了僅在幾年前被理論預言的一個效應的初步證據：一種能將金剛石的輸出功率推到經典熱力學定律規定的水平之上的量子效應。如果結果成立，它們將為量子熱力學研究帶來巨大好處。這是一個相對較新的領域，旨在揭示在原子尺度上控制熱量和能量流動的規則。

科學家有理由懷疑在量子領域中，基於大量粒子行為的熱力學定律是不同的。在過去的五年左右，一個量子熱力學團體圍繞這個想法發展起來。曾經只有少數理論家的領域現在已包括全球數百名理論和實驗物理學家。以色列耶路撒冷希伯來大學在該領域的早期先驅Ronnie Kosloff說：「這個領域發展得如此之快，以致於我幾乎無法跟上。」

許多量子熱力學家希望能找到傳統熱力學之外的行為，以應用於實際，包括改進基於實驗室的製冷技術，創造性能更強的電池和改善量子計算技術。

但是這個領域還處於起步階段。像牛津大學金剛石實驗這樣的實驗只是對理論預測的最初測試。而在外圍工作的物理學家正密切關注這樣的測試，探尋可證明理論家的預測有應用價值的證據。哈佛大學的物理學家Ronald Walsworth說：「量子熱力學顯然是熱點。」他專門研究精密原子尺度工具。「但是對於我們這些旁觀者來說，問題是：它真的能為技術的發展帶來新思路嗎？」

打破定律

經典熱力學定律的發展可以追溯到十九世紀。它們的出現源於對蒸汽機和其他宏觀系統的研究。熱力學量（如溫度和熱量）本質上是統計意義的，並且參照粒子大集合體的平均運動來定義。但是早在20世紀80年代，Kosloff就開始思考這種物理認知對於更小的系統是否仍舊適用。

Kosloff表示，當時這不是一個受歡迎的研究方向，因為所涉及的問題基本上是抽象的，幾乎無法同實驗聯繫起來。他說：「這個領域發展非常緩慢。我孤軍奮戰了多年。」

牛津大學的一個實驗設備用於研究量子效應是否可以提高金剛石的輸出功率。

圖片來源：Jonas Becker

從約十年前起，這種情況發生了巨大變化，因為有關技術小型化極限的問題變得更為迫切，同時實驗技術也進步了。人們進行了一系列的嘗試來計算熱力學和量子理論如何結合。但是由此產生的建議不但沒有澄清事實，反而造成了更多的混亂，Kosloff稱。一些人聲稱，量子器件可以打破經典的熱力學約束而不受任何損失，因此可以用於製造永動機，它能夠在不需要任何能量輸入的情況下進行工作。另一些人認為熱力學的定律在非常小的尺度下應該保持不變，而這同樣令人費解。

Kosloff說：「從某種意義上說，你可以使用相同的公式來計算單個原子引擎和汽車引擎的性能。但是這似乎也令人震驚——畢竟隨著物體越來越小，你總應會達到某種量子極限。」 德國弗賴堡大學的量子物理學家Tobias Schaetz同樣表示，在經典熱力學中，單個粒子沒有溫度。所以當系統產生活動且其環境接近這個極限時，幾乎無法想像它們會服從標準的熱力學規律。

大量相互矛盾的理論主張和預測最初削弱了這個新興領域的可信度。德國奧格斯堡大學的量子物理學家Peter H?nggi說：「我一直對這個領域持批評態度，因為這個領域裡理論泛濫卻實驗不足。」但是該領域的科學家開始更加正式地圍繞核心問題進行合作，以消除混亂。一個目標是使用實驗來揭示經典熱力學定律不再完美預測量子系統的熱行為的臨界點。

科學家開始開展實驗來敲定量子熱力和經典熱力之間的邊界。例如，去年 Schaetz和他的同事發現，在一定條件下，晶體中由五個或更少的鎂離子組成的鏈不像更大的系統一樣能與周圍環境達到並保持熱平衡。在他們的測試中，每個離子一開始處於高能狀態，並且其自旋在對應於其磁性方向的兩個狀態（「向上」和「向下」）之間振蕩。標準的熱力學預言，當離子與晶體中的周圍其他原子發生相互作用而冷卻時，這種自旋振蕩就會消失，正如熱咖啡會在其分子與周圍較冷的空氣中的分子碰撞時逐漸冷卻一樣。

這種碰撞將能量從咖啡分子轉移到空氣分子。晶體中有類似的冷卻機制，晶格中量子化的振動稱為聲子，它們從振蕩的自旋中帶走熱量。Schaetz和同事發現他們的小離子系統確實停止了振蕩，表明它們已經冷卻了。但幾毫秒之後，離子又開始劇烈振蕩。Schaetz說，這個復甦與量子有關。聲子並未完全耗散，而是在晶體邊緣反彈，並同相返回到它們的源離子，恢復原來的自旋振蕩。

Schaetz說，他的實驗向試圖縮小現有電子設備尺寸的工程師發出了警告。他說：「你有一根只有10到15個原子寬的電線，你可能會認為它已經成功地將熱量從晶元上帶走了，但是噗的一聲——突然之間這種量子復甦發生了。這是非常令人不安的。」

反彈聲子可能會在某些應用中造成困難，但其他量子現象反而可能是有利的。鑒定這種現象的工作由於在量子系統中難以確定如熱量和溫度等基本量而停滯不前。但150年前由蘇格蘭物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出的一個著名的思想實驗的解決方案提供了研究方向的線索，並在信息和能量之間建立了一種有趣的聯繫。麥克斯韋構想了一個實體，它可以對緩慢和快速移動的分子進行分類，僅僅通過打開和關閉它們之間的門就在兩個「腔」之間產生溫差。

這後來被稱為 「麥克斯韋妖」，它所形成的一個熱腔和一個冷腔能夠被用以產生有用的能量。問題在於，通過這種方法對粒子進行分類，該妖在不必對粒子本身做功的情況下降低了系統的熵 ——一個衡量粒子排列的無序性的量。這看似違反了熱力學第二定律。

但是物理學家們最終意識到，這個妖會付出熱力學的代價來處理有關分子速度的信息。它需要存儲，擦除和重寫這些信息。這個過程消耗能量，並造成熵的整體增加。信息曾被認為是非物質的，「但是麥克斯韋妖表明，它可能會產生客觀的物理結果。」西班牙巴塞羅那光子科學研究所的量子物理學家Arnau Riera說。

找到極限

受到信息是一個物理量並且與熱力學密切相關的觀點的啟發， 研究人員試圖改寫熱力學定律，以使它們在量子體系中也有效。

雖然人們意識到永動機或許是不可能的，但是人們仍在研究早期希望量子熱力學所規定的極限不如經典領域中的極限那麼苛刻。以色列理工學院科技部的量子物理學家Raam Uzdin說：「這是我們從量子計算中獲得的思路——量子效應可以幫助你打破傳統的界限。」

Uzdin說，令人失望的是，事實並非如此。最近的分析表明，控制效率的熱力學第二定律以及禁止系統達到絕對零度的第三定律的量子版本保留了與其經典版相似的甚至在某些情況下更嚴格的限制。

倫敦大學學院的量子物理學家Jonathan Oppenheim表示，由於宏觀熱力學量「自由能」（系統可用於做功的能量）在微尺度上並不只有一個對應物，而是有多個，因此會出現差異。經典理論中，自由能計算的前提是假定系統中所有狀態（由給定能量的粒子排列所確定）具有相同的可能性。但Oppenheim說，這個假設在微小尺度上是不正確的。某些態可能比其他態更有可能。

為了把這點考慮進去，需要定義額外的自由能以準確描述系統及其演變過程。Oppenheim和同事提出，每一種自由能都存在屬於自己的第二定律，量子器件必須遵守所有這些規律。Oppenheim說：「由於第二定律告訴你不允許做什麼，在某些方面，似乎在微觀上有更多的規律會使情況更加麻煩。」

為計算第二和第三定律的等價物所做的大部分工作目前仍然停留在理論層面。但支持者認為，它可以幫助闡明熱力學極限如何在小尺度下被強制執行。例如，阿根廷兩位量子物理學家開展的理論分析表明，當量子冰箱接近絕對零度時，光子會自發地出現在器件附近。其中一位研究者、布宜諾斯艾利斯Ciudad University的Nahuel Freitas解釋說：「這會將能量轉移到周圍環境中，產生對抗冷卻的熱效應，從而阻止你達到絕對零度。」

理論也揭示了一些潛在的迴旋餘地。在一項研究粒子熱腔和冷腔之間的信息流動的理論分析中，包括Riera和量子物理學家Manabendra Nath Bera在內的一個巴塞羅那小組發現了一個奇怪的情景，在這個場景中，熱腔似乎自發地變得更熱，而冷腔變得更冷。「起初，這看起來很瘋狂，就像我們可以違反熱力學一樣。」 Bera說。但研究人員很快意識到，他們忽視了量子扭曲：腔中的粒子可能會糾纏在一起。從理論上說，制定和打破這些相關性提供了一種儲存和釋放能量的方式。一旦這個量子資源被考慮在內，熱力學定律就說得通了。

許多獨立團隊已經提出使用這種糾纏來存儲「量子電池」中的能量，義大利理工學院的一個小組試圖用超導量子比特做成的電池來證實巴塞羅那團隊的預測。原則上，這種量子電池的充電速度比類似的經典電池要快得多。Riera說：「儘管你無法提取或儲存比經典極限允許的更多的能量——這一點由第二定律確定，但是你可以加快速度。」

一些研究人員正在尋找更簡單的方法來操縱量子比特以應用於量子計算。加拿大滑鐵盧大學的量子物理學家Nayeli Azucena Rodríguez Briones和她的同事們制定了一項操作，該操作可能通過調控量子比特能級對來提升計算機冷卻效率，以達到量子計算操作所需要的冷卻條件。他們目前正計劃在實驗室中使用超導量子比特來測試這個想法。

星星之火

量子效應可以用來提高熱力學性能的概念也啟發了牛津大學正在進行的金剛石實驗，這個實驗最早由希伯來大學的 Kosloff，Uzdin和Amikam Levy提出。金剛石中被氮原子散射所產生的缺陷能夠作為引擎——該器件在先後同一個熱庫（這裡是激光）和一個冷庫接觸後運作。但是Kosloff和他的同事們期望這種引擎可以在增強模式下運行，即利用量子效應使得一些電子同時存在於兩種能量狀態。通過脈衝激光而不是連續光束來保持這些疊加態，應該能夠使晶體比在其他情況下更迅速地發射微波光子（見「 構建量子熱機 」）。

不久前，英國牛津的團隊公布了一項初步分析，展示了所預測的量子提升的證據。英國埃克塞特大學的量子物理學家Janet Anders說，這篇論文還沒有經過同行評審，但如果這項研究成立的話，那麼「這是一個開創性的成果」。但是，她補充道，目前還不清楚究竟是什麼導致這一非凡結果。Anders說：「這似乎是一種神奇的燃料，它不能增加能量，卻能夠使發動機更快地提取能量。「理論物理學家需要研究它是如何做到這一點的。」

H?nggi說，著眼於實驗是振興該領域的重要一步。但是，對他來說，這些實驗還不夠大膽，無法提供真正突破性的見解。還有一個挑戰是量子系統會不可逆轉地被測量和與環境的相互作用干擾。他說，這些效應在新實驗的理論方案中很少被充分考慮， 「這很難計算，且在實驗中實施起來更加困難。」

進行金剛石實驗的牛津實驗室負責人Ian Walmsley也對這個領域的未來相當謹慎。儘管近年來他和其他實驗者被量子熱力學研究所吸引，但他表示，他們的興趣在很大程度上是「機會主義」的。他們借用已經到位的本用於其他用途的裝置，來進行相對快速和容易的實驗; 例如，金剛石缺陷裝置在量子計算和感測器應用方面已經被廣泛研究。Walmsley 說，如今量子熱力學蓬勃發展， 「不過，這星星之火是會燎原還是熄滅，我們只能拭目以待。」

Naturedoi:10.1038/551020a

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