科学家提出高效驱动微型引擎概念

把球推上山需要能量。量子引擎可以通过重复测量来完成同样的工作。

资料来源:迈克尔·布兰康/科学

为了测量一个原子，不可能不干扰它，至少根据量子力学。然而，两位物理学家报告说，这种效应似乎有点麻烦，但它可以驱动微型发动机以接近100%的效率运行——比汽车发动机的效率高得多。目前，这个“测量引擎”仍然是一个纯粹的假设，但物理学家说，也许这样一个引擎真的可以在未来建造。

“这是一个非常好的主意。”大卫·埃雷拉·马蒂是普罗巴耶斯的物理学家，普罗巴耶斯是一家人工智能公司，在法国蒙邦的圣马丹市投资量子计算，他说，“你可以想象一群小分子机器被激光高效驱动。”

发动机是一种机器，它重复一系列的动作将能量转化为有用的功。为了保持发动机运转，发动机必须不断地回到它的原始状态，在这个过程中，它需要损失一些热量。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。通常一辆汽车只能将25%的汽油能量转化为动力。

然而，纽约罗切斯特大学的西里尔·埃洛乌德和安德鲁·乔丹说，在微小量子领域，发动机可以从另一个来源获得能量(即测量微小粒子位置所需的能量)，并以几乎完全的效率使用它。他们两人设计了一个方案，例如，通过反复测量粒子的位置，粒子可以在重力的作用下被提升。

想象一个保龄球在电梯层。不管你看它多少次，它的位置都不会改变。但是当保龄球被缩小到中子大小时，量子力学显著地改变了情况。因为中子太小，所以无法准确预测它们的位置。相反，它需要找到散射的量子波，从而给出在不同地方找到中子的概率。量子波有点像悬浮在移动平台上的云，在平台附近密度很高，在较高的地方密度较低，中子很可能在平台附近。但是在测量之前，中子的位置是无法知道的。

利用量子测量的“非此即彼”的性质，埃洛德和乔丹想知道被测量的中子是在移动平台上方一定距离内还是更远。如果中子在靠*台的区域，它们实际上会离开平台；如果中子在平台附近的区域之外，它们将以相同的设定距离在平台上方移动，以便在重力将它们拉回之前捕获中子。研究人员最近在发表在《物理评论快报》上的一份报告中指出，重复这一过程将逐渐抵抗重力限制，并促进中子的产生。有趣的是，平台本身不会产生提升中子的力。相反，上升中子的能量来自测量本身。

据计算，“测量引擎”的效率可达99.8%。乔丹说制造这样的发动机是可能的。“你不会用它来驾驶机车。”他说，“但你可以运行一个原子或一个分子。”然而，这种机器的潜在好处还有待观察。

当然，有得有失。使用不太精确的测量方法需要更多的循环来加速中子。因此，尽管量子测量引擎非常高效，但它的工作速度非常慢。埃雷拉·马蒂指出，发动机最终逃脱不了热力学第二定律。他说，尽管研究人员没有具体说明它的测量设备，但它肯定是一台需要浪费能量的大型机器。

然而，测量引擎为量子力学的工具箱增加了一个新工具。(冯伟伟)

中国科学新闻(2018-07-18第二版国际版)