量子测量可以为微型,高效的发动机提供动力

把球推上山需要精力。 量子引擎可以通过重复测量来完成类似的工作。

Michael Blann / Getty Images
量子测量可以为微型,高效的发动机提供动力

至少根据量子力学,你不能在不干扰它的情况下测量原子。 一对物理学家报告说,这种影响可能看起来像是一种麻烦,但它可以为一个小型发动机提供动力,该发动机可以以近100%的效率运行 - 远远超过汽车发动机。 目前,“测量引擎”纯粹是假设的,但物理学家说它可能实际制造一个。

“这是一个非常好的主意,”法国Montbonnot-Saint-Martin的AI公司ProbaYes的物理学家DavidHerreraMartí说,他投资于量子计算。 “你可以想象有一群小型分子机器可以用激光非常有效地驱动。”

发动机是一种机器,它重复一系列运动,将能量转化为有用的工作 - 例如将汽车推向道路。 大多数发动机从汽车发动机的“热水浴”中吸收热能,爆炸燃料产生的热气体。 为了保持稳定,发动机必须反复恢复到原来的配置,在此过程中,它必须为“汽车,环境”的“冷浴”损失一些热量。 根据热力学第二定律的要求,不可避免的能量浪费严重地限制了热机的效率,使其低于由浴温设定的水平。 典型的汽车将大约25%的汽油能量转化为运动。

然而,在非常小的量子领域,发动机可以输出不同的能量来源 - 测量微小颗粒位置所需的能量 - 并以几乎完全的效率使用它,Cyril Elouard和Andrew Jordan说。纽约罗切斯特大学。 两人设计了一个方案,例如,可以通过试图一遍又一遍地测量其位置来提升粒子抵抗重力。

想象一下坐在电梯地板上的保龄球。 无论你看多少次,它的位置都将保持不变。 但是,将保龄球缩小到比如微型可移动平台上的单个中子,量子力学会大幅改变图像。 因为中子很小,所以不能再准确地预测它的位置。 相反,中子必须用弥散量子波来描述,这种量子波给出了在不同位置找到它的概率。 量子波有点像悬浮在平台上方的云,在中子可能存在的平台附近密集,并且更薄。 直到测量发生,中子的位置才变得众所周知。

利用量子测量的任一或者本质,Elouard和Jordan设想测量中子是否在平台上方的设定距离内盘旋或者是否更远。 如果中子位于近区内,则它们将独立离开平台。 如果中子位于该闭合区域之外,它们将平台向上移动相同的设定距离,基本上在重力将其拉回之前捕获中子。 研究人员在“ 物理评论快报”上发表的一项研究报告称,重复这一过程 。 奇怪的是,平台本身从未施加力量来提升中子。 相反,提升中子的能量来自测量本身。

然而,有一个问题。 测量也改变了中子的量子波。 并且测量中子是否接近平台可以减少原始波的一半。 这种钢锯修改需要很多能量。 此外,为了为下一个发动机循环做好准备,这种锯齿状的波浪必须“松弛”回原来的光滑形状,这意味着它必须失去它吸收到周围环境的大部分能量。 这两种效果破坏了发动机的效率。

为了避免这种损失,Elouard和Jordan采用了最后一个关键因素:信息量较少。 他们想象改变测量值,使“out”的定义保持不变 - 中子位于距平台固定距离之外。但是“in”的定义变得模糊:它只意味着粒子在更远的距离内如果中子位于两个界限之间,则量子测量会随机产生“外”或“内”。

奇怪的是,不太确定的测量提供了很大的好处。 调整恰到好处,当测量结果为“in”时,它使中子的量子波几乎不变。 当它说“out”时,测量结果使中子处于与原始波几乎相同的波中,但向上移动。 至关重要的是,这两个重叠波与原始波非常相似,无论结果如何,放松时能量损失很少,中子准备开始下一个周期。 “这是最聪明的部分,”埃雷拉马蒂说。

Elouard和Jordan计算,发动机可以高达99.8%的效率运行。 乔丹说,有可能建造这样的发动机。 “你不会用它运行机车,”他说,“但你可以运行原子或分子。” 然而,这样的机器有什么好处还有待观察。

当然,需要权衡利弊。 采用不太确定的测量需要更多的循环来提升中子。 因此,量子测量引擎虽然效率很高,但却能够缓慢地完成工作。 HerreraMartí指出,最终,发动机也无法回避热力学第二定律。 他说,虽然研究人员没有指定他们的测量设备,但它必须是一台必须浪费能源的宏观机器。 测量引擎仍然在量子机制的工具箱中放置了一个新工具。

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