北京
量子力学是物理学的一个重要分支，它探索了极微观的粒子（如原子和分子）的奇异行为和相互作用。这些粒子遵循一些与经典物理学不同的规律，使得科学家能够开发出更先进、更高效的新技术，在计算机、通信和能源等领域实现了革命性的突破。
在日本冲绳科学技术研究所 (OIST)，量子系统部门的研究人员与德国凯泽斯劳滕-兰道大学和斯图加特大学的合作伙伴一起，创造了一种基于量子规律运行的微型发动机。
他们设计并构建了一种不需要燃料燃烧来产生动力的发动机，而是利用了量子力学中的一个基本原理。
在常见的汽车发动机中，燃料和空气的混合物在燃烧室内被点燃。这样产生的爆炸会使气体升温，从而推动活塞往复运动，驱动汽车车轮旋转。
量子发动机的原理是利用量子力学中的一个重要概念：粒子交换对称性。这个概念指的是，如果交换两个相同类型的粒子，那么系统的总能量不会改变。但是，如果这两个粒子是玻色子，那么它们会倾向于聚集在同一个能态上，从而降低系统的总能量；如果这两个粒子是费米子，那么它们会避免占据同一个能态，从而增加系统的总能量。
因此，通过控制粒子之间的交换，可以实现对系统能量的调节，从而产生动力。在他们的量子发动机中，科学家们通过改变气体中粒子的量子属性来代替温度的作用。要理解这种变化如何驱动发动机，我们需要知道所有粒子都可以根据其量子特性分为两类：玻色子或费米子。
当温度非常低时，量子效应就显现出来，玻色子比费米子具有更低的能态，这种能量差就可以被用来驱动发动机。量子发动机并不像传统发动机那样通过周期性地加热和冷却气体来工作，而是通过将费米子转化为玻色子再转化回来来实现。
“要将费米子变成玻色子，你可以将两个费米子结合成一个分子。这个新分子就是玻色子。将其分解可以让我们重新获得费米子。通过重复这样做，我们可以在不使用温度的情况下驱动发动机”，量子系统部门主任 Thomas Busch 教授说。
虽然这种类型的发动机只能在量子状态下运行，但研究团队发现它具有相当高的效率，在德国合作伙伴目前建立的实验装置中可以达到 25%。
这种新型发动机是量子力学领域的一项令人振奋的创新，并可能促进量子技术这一新兴领域的进一步发展。但这是否意味着我们很快就会看到量子力学为我们的汽车发动机提供动力呢？“虽然这些系统非常高效，但我们只是与实验合作伙伴一起进行了概念验证”，Keerthy Menon 说。“构建有用的量子发动机仍然面临许多挑战。”
如果温度过高，温度会破坏量子效应，因此研究人员必须尽量保持系统的低温。然而，在如此低的温度下运行实验需要大量的能量，以保护敏感的量子状态。
研究的下一步将涉及解决有关系统运行的基本理论问题，优化其性能，并研究其对其他常用设备（例如电池和传感器）的潜在适用性。
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