量子力學厲害了！利用量子測量為冷卻引擎提供燃料！

佛羅倫薩大學和義大利Sistemi Complessi研究所的研究人員最近證明，量子測量的侵入性可能並不總是有害的。在發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一項研究中表明，這種侵入性的質量實際上可以被利用，利用量子測量為冷卻引擎提供燃料。米歇爾·坎皮西(Michele Campisi)是參與這項研究的研究人員之一，多年來一直在研究量子現象。在他最近的工作中，他研究了量子現象是否會影響納米尺度器件的熱力學，比如那些應用於量子計算機的器件。

該領域的大多數同事都在研究相干和糾纏，而只有少數人在研究另一種真正的量子現象，即量子力學。這些研究表明，需要在測量的同時進行反饋控制，就像在麥克斯韋妖中那樣，以便開發它們的潛力。所以開始思考這個問題，並且找到了答案——由於量子測量具有很強的侵入性，它還伴隨著能量交換，因此可以用來為發動機提供動力，而不需要進行反饋控制。熱力學第二定律指出，熱自然地從熱的物體流向冷的物體。過去的研究發現，有兩種方法可以逆轉這種自然的熱量流動：利用外部、與時間有關的驅動力提供的功，或者實現通過反饋控制迴路控制熱量的麥克斯韋妖。

在研究中，坎皮西和同事們表明，事實上，還有第三種方法可以逆轉熱量的流動，這是基於量子力學的。這項技術需要使用侵入式的量子測量作為燃料來驅動製冷，而不需要任何反饋控制。研究人員將這種機制稱為量子測量冷卻(QMC)。一般數學框架是標準的量子力學，但必須使用先進的數值和分析方法來研究量子測量冷卻的所有方面，為了評估它對實驗雜訊的魯棒性，研究人員對可能的測量投影儀高維空間進行了廣泛的蒙特卡羅採樣，並使用機器學習技術來分析和可視化數據。坎皮西和同事們用一個典型的二衝程雙量子位引擎演示了QMC。

在量子測量冷卻加熱電流是由能源提供通過侵入性測量fjψkig適當的測量基礎上，沒有執行——反饋控制，實心箭頭表示能量流。圖片：Campisi et al

這台發動機與研究人員使用的測量儀器以及設置在不同溫度下的兩個熱源相互作用。另一位進行這項研究的研究員安德里亞·索法內利(Andrea Sofanelli)說：我們也開始了用分析方法尋找最優熱力學性能的任務，這是非常具有挑戰性的。使用Birkhoff定理將所謂的轉換矩陣(包含問題中所有關於能量交換的相關信息)表示為排列，從而簡化了問題。但我們一直堅持這個觀點，直到我們發現了一個鮮為人知的線性代數定理，它可以追溯到20世紀90年代初，最終得到了解決方案。

Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli和同事Paola Verrucchi證明量子測量侵入性可以通過他們報道的QMC機制來為冷卻引擎提供燃料。QMC不需要反饋控制，但是在測量投影儀中必須存在糾纏。研究人員計算了隨機選擇測量基準時發生QMC的概率。他們發現，這個概率可以非常大的提取能量的概率(即操作熱機)，但它小於最不重要的操作的概率(即傾倒熱量在兩個浴槽)。參與這項研究的另一位研究員亞歷山德羅·庫科利(Alessandro Cuccoli)說：表明測量兩個量子位元構成的量子系統可以自行產生(即不受反饋控制)有用的熱力學效應，這無疑是研究中最有意義的成果。

這是從一個更廣泛的角度來看待量子測量過程，在這個過程中，系統和它的環境，以及伴隨測量而來的能量交換，都被考慮進去了。由研究人員開發的雙量子位熱機很容易被設計成一種冷卻裝置。這將使量子計算機處理單元的製造與輔助設備集成成為可能，這些輔助設備可以使它們保持所需的低溫，因為這兩者都可以使用量子位元來實現。進一步深入的觀察是，為了得到有用的熱力學效應，測量過程必須涉及『糾纏態』，即兩個量子位元的特殊量子關聯態，從而揭示了信息與能量交換之間的密切聯繫，在納米量子引擎中加深我們對這種關係的理解，是推動我們目前和未來在量子熱力學領域研究的主要挑戰之一。

Campisi、Buffoni、Cuccoli、Solfanelli和Verrucchi進行的研究引入了一種全新的機制，可以逆轉自然的熱量流動，不需要反饋控制就可以干預熱力學第二定律。在未來，他們的發現可能會有許多應用，例如，幫助開發冷卻量子計算機的設備。參與這項研究的研究人員團隊是一個合作聯盟的一部分，該聯盟包括來自八個歐盟國家的實驗員和理論家在內的12個世界級研究小組。他們目前正在尋求必要的資源，以支持今後幾年的工作。坎皮西說：我們期待著與可能有興趣建造一個功能良好的量子測量冷卻器的實驗小組合作。迫切需要全面理解和掌握量子系統和器件的能量學，並呼籲國際社會共同努力，以加快技術發展。

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參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.070603

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